Điều khiển gài số trên hệ thống truyền lực AMT

Hệ thống truyền lực tự động AMT (Automated Manual Transmission) và DCT (Dual Clutch Transmission) sử dụng bộ đồng tốc thông thường để gài số. Bộ phận chấp hành có thể là xy lanh thủy lực hoặc động cơ điện, trong đó bộ phận chấp hành loại động cơ điện được sử dụng khá phổ biến. Trên cơ sở mô hình động lực học bộ đồng tốc, nhóm tác giả xây dựng bộ điều khiển PD thực hiện điều khiển gài số. Kết quả mô phỏng với bộ điều khiển thiết kế được so sánh với mô hình điều khiển vòng mạch hở.

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 ĐIỀU KHIỂN GÀI SỐ TRÊN HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC AMT GEAR SHIFT CONTROL FOR AUTOMATED MANUAL TRANSMISSIONS Tạ Thị Thanh Huyền*, Trần Văn Như TÓM TẮT Hệ thống truyền lực tự động AMT (Automated Manual Transmission) DCT (Dual Clutch Transmission) sử dụng đồng tốc thông thường để gài số Tuy nhiên khác với hộp số khí có cấp, hộp số việc gài số thực thông qua điều khiển Bộ phận chấp hành xy lanh thủy lực động điện, phận chấp hành loại động điện sử dụng phổ biến Trên sở mơ hình động lực học đồng tốc, nhóm tác giả xây dựng điêu khiển PD thực điều khiển gài số Kết mô với điều khiển thiết kế so sánh với mơ hình điều khiển vịng mạch hở Từ khóa: Mơ hình đồng tốc; điều khiển gài số; AMT; DCT ABSTRACT The automated manual transmission and the dual-clutch one use conventional synchronizers to shift gears However, unlike a manual transmission on these transmissions gear shifting is done through a controller The actuator can be a hydraulic cylinder or an electric motor, of which the electric motor type actuator is commonly used Base on the synchronizer dynamics model, the authors design a PD controller to perform gear shifting control The simulation results with the designed controller are compared with the open-loop control Keywords: Synchronizer model; gear shifting control; AMT; DCT Trường Đại học Giao thông Vận tải * Email: thanhhuyen@utc.edu.vn Ngày nhận bài: 02/6/2021 Ngày nhận sửa sau phản biện: 25/6/2021 Ngày chấp nhận đăng: 25/8/2021 TỔNG QUAN Hệ thống truyền lực tự động hộp số bánh có nhiều ưu điểm so với hệ thống truyền lực tự động hộp số hành tinh hệ thống truyền lực khí có cấp tính điều khiển hiệu suất truyền lực Có hai loại hệ thống truyền lực tự động hộp số bánh áp dụng ô tô, gồm loại DCT (Dual Clutch Transmission) loại AMT (Automated Manual Transmission) Hệ thống truyền lực DCT sử dụng phổ biến tơ Hệ thống truyền lực AMT có triển vọng áp dụng tơ có khách ô tô tải khả truyền mô men lớn mà hộp số DCT bị hạn chế Cả hai loại hệ thống truyền lực trên, điều khiển gài số thực điều khiển tác động lên đồng tốc truyền thống để thực gài số Bộ phận chấp hành xy lanh thủy lực động điện, phận chấp hành loại động điện sử dụng phổ biến Bộ 80 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (8/2021) đồng tốc có vai trị thực gài bánh quay lồng khơng với trục đảm bảo khơng gây va đập chênh lệch tốc độ Bộ đồng tốc có cấu tạo phức tạp gồm nhiều chi tiết Quá trình hoạt động đồng tốc trải qua nhiều pha với mơ hình động lực học khác Trong [1] mơ tả xây dựng mơ hình tốn chi tiết trình gài số đồng tốc với pha khác Mơ hình động lực học đồng tốc phức tạp, có tính phi tuyến cao thường sử dụng điều khiển đơn giản dễ ràng thiết kế điều khiển PI [2] Hoặc đơn giản hóa mơ hình đồng tốc mơ hình ly hợp sử dụng điều phương pháp điều khiển bền vững H∞ để loại bỏ khơng xác mơ hình hệ số ma sát [3] Biến đầu điều khiển lực dọc trục tác dụng lên đồng tốc (lực gài) Mục tiêu điều khiển để vận tốc phần chủ động bị động đồng tốc [3] điều khiển vị trí mơ tơ gài số để đảm bảo thực gài [2] Trong báo này, tác giả trình bày việc xây dựng thuật tốn điều khiển gài số sở phương pháp điều khiển PD Mô hình đồng tốc với pha mơ để đánh giá điều khiển XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU GÀI SỐ AMT Mơ hình động lực học cấu gài số gồm hai mơ hình con: mơ hình động lực học đồng tốc mơ hình động - hệ dẫn động 2.1 Mơ hình động lực học đồng tốc Theo [1], tác giả xây dựng mơ hình đồng tốc hệ thống truyền lực AMT, với kết cấu đồng tốc thể hình Hình Bộ đồng tốc 1) Bánh gài; 2) Vành bánh răng; 3) Ổ bi kim; 4,5) Vòng bạc; 6) Vành đồng tốc; 7) Moay đồng tốc; 8) Ống gài; 9) Bộ phận khóa hãm Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Quá trình gài số chia thành pha: - Pha 1: Ống gài di chuyển dọc trục từ vị trí trung gian phía bánh gài, đẩy vành ma sát ống gài tiếp xúc với vành ma sát bánh - Pha 2: Lực tì đầu phận khóa tăng lên tạo mơ men ma sát làm quay vòng đồng tốc giới hạn hốc ống gài (8) Mặt vát tiếp xúc vành đồng tốc (7) tiếp xúc với vành bánh tạo mô men ma sát lớn làm bánh bắt đầu đồng tốc với vành đồng tốc ống gài khóa trục; np - số lượng khóa gài; msd - khối lượng khóa gài; Fs - lực lị xo khóa gài Trong giai đoạn đầu pha này, lị xo khóa chưa bị nén, xsl = xsd, đó: x sl  Ff ωsr , ωsd  ωsl ysd Các phương trình mô tả sau: Tc  T1 J1 ω g  - Pha 4: Lực gài tiếp tục tăng, ống gài trượt đầu vành đồng tốc tìm đến khe vành đồng tốc làm vành đồng tốc dịch chuyển góc  - Pha 5: Ống gài tiếp tục dịch chuyển dọc trục vát ống gài tiếp xúc với vát vành bánh x sr  - Pha 7: Lực dọc trục tăng đến lực cần thiết để đầu ống gài trượt đầu vành bánh tìm đến khe vành bánh Bánh quay góc - Pha 8: Răng ống gài tiếp tục sâu vào khe vành bánh đến hết hành trình Kết thúc q trình gài số Mơ hình có bậc tự bao gồm: vận tốc góc bánh ωg, vành đồng tốc ωsr, ống gài ωsl vận tốc góc khóa gài ωsd; dịch chuyển dọc trục ống gài xsl, vành đồng tốc xsr khóa gài xsd; dịch chuyển theo phương hướng kính khóa gài ysd Mơ hình tốn pha sau: a) Pha 1: Pha kết thúc phận khóa hãm dịch chuyển hết khoảng cách cần thiết để tiếp xúc với vòng đồng tốc Các biến trạng thái hệ: ωg , ωsr  ωsl  ωsd , x sl , x sd , x sr  ysd Các phương trình mơ tả sau: ω g  T1 J (1) x sl  Ff  Nsl sinφ  μsl cosφ msl (2) ω sl  T3  Jsr  Jsl  Jsd  J5  (3) x sd  Nsl sinφ  μ sl cosφ / np msd  (4) y sd  Fs μsl sinφ  cosφ msd (5) Trong đó: Ff - lực dọc trục tác dụng lên ống gài; Nsl - lực pháp tuyến tác dụng lên mặt nghiêng rãnh khóa; T1 - mơ men ma sát mặt cong vành bánh răng; J1 - mô men qian tính khối bánh răng; msl - khối lượng ống gài; φsl - góc nghiêng mặt nghiêng rãnh khóa; μsl - hệ số ma sát; T3 - mơ men ma sát ống gài; Jsr, Jsl, Jsd, J5 tương ứng mơ men qn tính khối vành đồng tốc, ống gài, Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn (6) Pha 2: Các biến trạng thái hệ gồm: ωg, xsr xsd xsl, - Pha 3: Pha đồng tốc, pha kết thúc bánh răng, vành đồng tốc ống gài có vận tốc góc - Pha 6: Lực gài tiếp tục tăng để đảm bảo trì dịch chuyển dọc trục ống gài Quá trình dừng lại thành phần lực tiếp tuyến cạnh vát đủ lớn để quay vịng đồng tốc bị kẹt phần hình nón vành bánh msl  npmsd  1 1 n a bi  4πμxsrR3c ωsr 1 ωg ωsr b h  T1 (7) J1 Ff  Nc , ax 1 μ c cosα c sinα c  (8) msr  msl  npmsd  ω sr  | Tc | NhRh  NsdμsdRsd  T2  Jsr (9) x sl  Ff  Nsl sinφ  μsl cosφ msl (10)  y sd  Fspring  Nsl μ sl sin φ  cosφ  np  msd (11) Trong đó: h1 - khoảng cách ban đầu bề mặt nón; hmin - khoảng cách tối thiểu bề mặt có tính đến độ nhám bề mặt; KCC, KNC - hệ số hình dạng vịng đồng tốc; Rh - bán kính tiếp xúc moay vòng đồng tốc; Rsd - bán kính tiếp xúc vịng đồng tốc phận khóa; n - số lượng phận khóa Khi lị xo bị nén, có sự chuyển động tương đối phận khóa ống gài Do phương trình chuyển động vịng đồng tốc khóa gài là: x sr  Nsl sinφ  μslcosφ Nc,ax 1 μc cosαc msr  npmsd  sinαc  ω sl  NsdμsdRsd  NhRh  T3   Jsl  Jsd  J5  (12) (13) Nếu vòng đồng tốc khe khóa gài quay tốc độ, phương trình ω sl vá ω sr thay phương trình sau: ω sr  | Tc | T2   Jsr  Jsl  Jsd  J5  (14) Pha 3: Trong pha vát vòng đồng tốc ống gài tiếp xúc không thay đổi vị trí đạt đồng tốc Do khơng có dịch chuyển dọc trục ống gài; vành đồng tốc khóa gài Các biến trạng thái pha này: ω g , ω sr , ω sl , x sr  x sd  x sl  y sl  Các phương trình mơ tả sau:   ω g  μ cFf R c sinα c 1  b2 sin2 α c 3R2c   T1 J1 μ F R 1 b sin α 3R   N R   sr Jsr ω c f c (15) c c h sinαc h R 1μ tanβF N sinf  μ cosf   T  sl s f sl tanβ  μs  (16) sl Vol 57 - No (Aug 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 81 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619  R 1 μ tanβF N sinφ  μ cosφ   sl s f sl sl  NhRh  T3   tanβ  μs    (17) ω sl   Jsl  Jsd  J5   T μ cFf R c 1 b2 sin2 α c 3R 2c  sinα c  Jsr  Jsl  Jsd  J5  ω sr  (18) ωsl  ωsd , ysd , phương trình mơ tả sau: (19) tanβ  μ s  msl NsrRsl cosβ-μs sinβ  RsdNsdμsd  T3  (20) (21) Jsl  Jsd  J5   y sd  Fspring  Nsl cosφ  μ sl sin φ np  msd (22) Pha 5: Các biến trạng thái: ωg  ωsr  ωsl  ωsd , xsl , x sd  0, y sl  , phương trình mô tả sau: x sl  Ff  Nslμ sl  Nsr μ s  msl (23) ω sl  T3  J1  Jsr  Jsl  Jsd  J5  (24) Pha 6: Các biến trạng thái: ωg , ωsr  ωsl  ωsd , xsl , x sd  0, y sl  , phương trình mơ tả sau:  N R μ   T  ω g  NgR sl cosβ  μ g sinβ  NcR c μ c  T1 J1 ω sl xsl  g sl g sinβ  cosβ  Nc R c μ c (25) (26)  Jsr  Jsl  Jsd  J5  F N sinβ μ cosβN μ cosγ sinγN μ  f g g sr s sl sl msl (27) Trong đó: Ng - lực tiếp xúc pháp tuyến vát vành bánh ống gài; γ - góc vát thứ hai ống gài; μg - hệ sớ ma sát góc vát thứ ống gài Pha 7: Các biến trạng thái: ωg , ωsr  ωsl  ωsd , x sl , x sr  0, x sd  0, y sd  , phương trình mơ tả sau: J1ω g   RslFf 1 μ g tanβ tanβ  μg  R sl Nsr μ s  Nslμ sl 1 μ g tanβ tanβ  μg  g sinβ  cosβ   NcR c μ c  T3   Jsr  Jsl  Jsd  J5  (30) x sl , x sr  0, x sd  0, y sd  Các phương mô tả sau:   x sl  Ff  Ng μ g cosγ  sinγ   Nsr μ s  Nslμ sl msl (31) Mơ hình động lực học đơn giản hóa động điện mô tả sau: NslR sl sinφ  μ sl cosφ1 μ s tanβ  Ff  Nsl sin φ  μ s cosφ  Nsr sinβ  μs cosβ ω sl  g sl 2.2 Mơ hình cụm động điện dẫn động tanβ  μ s   R sdNsdμ sd  T1 x sl  N R μ ω sl  T3  J1  Jsr  Jsl  Jsd  J5  Ff R sl 1 μ s tanβ  ω sl  (29) Pha 8: Các biến trạng thái: ωg  ωsr  ωsl  ωsd , Pha 4: Các biến trạng thái: ωg  ωsr , xsl , x sd  0,  J1  Jsr ω g  msl x sl  Ff  Nslμ sl  Nsr μ s  Ng sinβ  μ g cosβ (28)  NcRc μ c  T1 82 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (8/2021)   k θ  Tdc  τ dc ia  Jdc θ r dc r Ff i t ηt (32) Trong đó: Tdc - mơ men điện từ động điện; τdc - số mô men động điện; ia - cường độ dòng điện phần ứng; ωr - vận tốc góc rơ to; J B - tương ứng mơ men qn tính hệ số ma sát nhớt động cấu chấp hành gài số; Ff - lực gài; it - tỷ số truyền lực hệ dẫn động, rad/m; ηt - hiệu suất truyền lực Lực gài Ff xác định sau:  θ  θ  Ff  k t  r  x sl   c t  r  x sl  i   it   t  (33) Trong đó: kt, ct - tương ứng hệ số ma sát cản nhớt độ cứng hệ dẫn động từ động gài đến đồng tốc; xsl - dịch chuyển dọc trục ống gài THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CẤU GÀI SỐ Quá trình gài số hệ thống truyền lực AMT giống hệ thống truyền lực khí, bao gồm giai đoạn: nhả số, chọn số gài số Trên hệ thống truyền lực giai đoạn thực động điều khiển, thông thường gồm động chọn số động gài số Để hoàn thành toàn trình gài số, hai động điều khiển xác gian đoạn Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả sử dụng điều khiển PD điều khiển vị trí góc quay động gài số để đảm bảo gài số hoàn toàn Giá trị đặt điều khiển góc quay động 12 vịng, tương ứng θrd  75, 36 rad Tín hiệu điều khiển cường độ dòng điện phần ứng ia Luật điều khiển PD dòng điện phần ứng đáp theo yêu cầu sau: (34) i  u  P(θ d  θ )  Dθ a r r r Trong đó: θr - góc quay mơ tơ, lấy từ mơ hình đồng tốc phận chấp hành; P, D - thông số điều khiển, lựa chọn để đảm bảo thời gian gài số không dài lực gài không lớn để tránh xẩy va đập Trong mô này, tác giả chọn P = 0,5; D = 0,001, thời gian gài số khoảng 0,228s Trên hình thể thay đổi dịng điện phần ứng động ia theo thời gian gài số Hằng số mô men động gài Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 τdc = 0,126Nm/A Ở thời gian khởi đầu dòng điện tăng để giảm thời gian đồng tốc (pha 3) Ở giai đoạn cuối q trình gài, cường độ dịng điện giảm đảm bảo kết thúc gài êm dịu Vận tốc góc trượt vành bánh vành đồng tốc thể hình Khi có điều khiển, thời gian đồng tốc (pha 3) giảm khoảng 0,06s Tuy nhiên thời gian pha pha tăng lên Đây pha có va chạm ống gài vành đồng tốc ống gài và vành bánh Thời gian tăng lên giúp giảm xung lực va chạm tăng lực lớn pha, khoảng 1242N/s, cường độ tăng lực trung bình khoảng 877N/s Dịch chuyển dọc trục vành đồng tốc (xsr), ống gài (xsl) cụm khóa hãm (xsd) thể tương ứng hình 5, Dịch chuyển lớn vành đồng tốc khoảng 5mm (từ vị trí 17,25mm đến 22,25mm), cụm khóa hãm dịch chuyển khoảng 6mm Ống gài dịch chuyển khoảng 25mm để đảm bảo ăn khớp hết vành bánh Hình Dịch chuyển dọc trục vành đồng tốc Hình Dịng điện phần ứng điều khiển Hình Dịch chuyển dọc trục ống gài Hình Vận tốc trượt vành bánh vành đồng tốc có điều khiển (nét liền) khơng điều khiển (nét đứt) Hình Dịch chuyển dọc trục cụm khóa hãm Hình Lực điều khiển tác dụng lên đồng tốc theo phương dọc trục Lực điều khiển tác dụng lên đồng tốc thể hình Ở pha 3, lực tăng gần tuyến tính với cường độ Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Góc quay trục động thể hình 8, góc quay lớn giá trị đặt điều khiển, θrd  75, 36 rad Vol 57 - No (Aug 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 83 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Hình Góc quay trục động điều khiển gài số KẾT LUẬN Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả xây dựng mơ hình cấu gài số với pha tương ứng với mơ hình Trên mơ hình xây dựng thực mô thể đại lượng động lực học cấu gài số trình gài số tốc độ góc bánh răng, vành đồng tốc, khóa gài ống khóa gài Mơ dịch chuyển dọc trục ống gài, khóa gài vành đồng tốc Các kết mô cho ta thấy đáp ứng động lực học cấu gài số thời gian gài số với lực gài thay đổi Nhóm tác giả khảo sát ảnh hưởng cường độ tăng lực gài đến thời gian gài số Kết khảo sát cho thấy, tăng cường độ lực gài thời gian gài giảm Sự giảm theo đường phi tuyến, giai đoạn đầu giảm đáng kể bão hòa cường độ lực gài lớn Kết khảo sát cho phép lựa chọn cường độ tăng lực gài thiết kế điều kh ển gài số Bộ điều khiển PD thiết kế để điều khiển gài số với thông số điều khiển lựa chọn để đảm bảo thời gian gài số Kết mô với trường hợp cụ thể cho ta thấy đáp ứng hệ thống thay đổi trạng thái cấu điều khiển gài số Kết mô thể thay đổi cường độ dòng điện điều khiển động gài số lực gài trình gài P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Mech Mach Theory, vol 84, pp 37–56, doi: 10.1016/j.mechmachtheory.2014.10.007 [3] H V Alizadeh, B Boulet, 2014 Robust control of synchromesh friction in an electric vehicle’s clutchless automated manual transmission in 2014 IEEE Conference on Control Applications (CCA), Juan Les Antibes, France, pp 611– 616 doi: 10.1109/CCA.2014.6981407 [4] P D Walker, N Zhang, 2011 Engagement and control of synchroniser mechanisms in dual clutch transmissions Mech Syst Signal Process [5] N R Junnarkar, 2017 Development of Synchronizer Operation for integration in AMT Control Strategy IOSR J Mech Civ Eng., vol 17, no 10, pp 40–45, doi: 10.9790/1684-17010054045 [6] B Gao, X Lu, J Li, H Chen, 2011 Model Predictive Control of Gear Shift Process in AMT Trucks in Volume 8: 11th International Power Transmission and Gearing Conference; 13th International Conference on Advanced Vehicle and Tire Technologies, Washington, DC, USA, pp 691–697 doi: 10.1115/DETC201147369 [7] J Li, X Feng, M Jiang, Y Zhang, L Wan, 2017 Modelling and simulation of synchronization and engagement for self-energizing synchronizer with multibody dynamics Adv Mech Eng., vol 9, no 3, p 168781401769141, doi: 10.1177/1687814017691410 [8] M Z Piracha, A Grauers, E Barrientos, H Budacs, J Hellsing, 2019 Model Based Control of Synchronizers for Reducing Impacts during Sleeve to Gear Engagement SAE Technical Papers, pp 2019-01–1303 doi: 10.4271/2019-011303 [9] H Yan, Z Xu, J Yuan, M Liu, W Ge, 2019 Friction Coefficient Compensation Control in Synchronizer Synchronization Process for Transmission Appl Sci., vol 9, no 15, p 3096, doi: 10.3390/app9153096 AUTHORS INFORMATION Ta Thi Thanh Huyen, Tran Van Nhu University of Transport and communications Trong nghiên cứu dừng lại nghiên cứu điều khiển gài số, việc điều khiển chọn số hồn tồn độc lập ứng dụng phương pháp điều khiển vị trí theo điều PD điều khiển khác Điều khiển gài số điều khiển chọn số hai điều khiển theo tuần tự, khơng đồng thời Do nghiên cứu điều khiển gài số độc lập so với điều khiển chọn số TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] A P Bedmar, 2013 Synchronization processes and synchronizer mechanisms in manual transmissions: Modelling and simulation of synchronization processes Chalmers University of Technology, Göteborg, Sweden [2] C.Y Tseng, C.H Yu, 2015 Advanced shifting control of synchronizer mechanisms for clutchless automatic manual transmission in an electric vehicle 84 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (8/2021) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn ... nghiên cứu điều khiển gài số, việc điều khiển chọn số hồn tồn độc lập ứng dụng phương pháp điều khiển vị trí theo điều PD điều khiển khác Điều khiển gài số điều khiển chọn số hai điều khiển theo... thống truyền lực khí, bao gồm giai đoạn: nhả số, chọn số gài số Trên hệ thống truyền lực giai đoạn thực động điều khiển, thông thường gồm động chọn số động gài số Để hoàn thành toàn trình gài số, ... ứng hệ số ma sát cản nhớt độ cứng hệ dẫn động từ động gài đến đồng tốc; xsl - dịch chuyển dọc trục ống gài THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CẤU GÀI SỐ Quá trình gài số hệ thống truyền lực AMT giống hệ thống