Nghiên cứu mô phỏng động lực học chuyển động thẳng của ô tô sử dụng hộp số CVT dạng đai truyền

Bài báo này trình bày việc xây dựng mô hình mô phỏng động lực học chuyển động thẳng của xe có sử dụng hộp số CVT dạng đai truyền, phục vụ quá trình nghiên cứu khảo sát động lực học chuyển động thẳng của ô tô.

HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC CHUYỂN ĐỘNG THẲNG CỦA Ô TÔ SỬ DỤNG HỘP SỐ CVT DẠNG ĐAI TRUYỀN RESEARCH ON LONGITUDINAL DYNAMIC SIMULATION OF A VEHICLE USING A PUSH-BELT CVT NGUYỄN TRƯỜNG SINH*, LÃ QUỐC TIỆP Khoa Động lực, Học viện Kỹ thuật Quân *Email liên hệ: ntsinhtb11@gmail.com Tóm tắt Hệ thống truyền lực sử dụng hộp số vơ cấp (CVT) tơ tự động thay đổi tỷ số truyền cách liên tục phạm vi định để đáp ứng điều kiện vận hành xe mà thực q trình sang số, khơng làm ngắt qng dịng động lực q trình thay đổi tỷ số truyền Bài báo trình bày việc xây dựng mơ hình mơ động lực học chuyển động thẳng xe có sử dụng hộp số CVT dạng đai truyền, phục vụ trình nghiên cứu khảo sát động lực học chuyển động thẳng tơ Từ khóa: Hệ thống truyền lực, hộp số vô cấp, động lực học, mô Abstract Drivetrain system of a vehicle that uses a continuously variable transmission (CVT) can automatically change the gear ratio of the system continuously within a certain range to meet the vehicle's operating conditions without having to perform shifting, so there is no power interruption during gear ratio change This paper presents the development of a dynamic simulation model of a vehicle that uses CVT drivetrain system for studying the vehicle longitudinal dynamics Keywords: Drivetrain system, continuously variable transmission, dynamic, simulation Mở đầu Hộp số vô cấp (CVT) loại hộp số tự động thay đổi tỷ số truyền cách liên tục phạm vi định để đáp ứng với điều kiện chuyển động khác xe mà thực q trình sang số có ngắt qng dòng động lực loại hộp số khí có cấp Điều cho phép xe sử dụng hộp số CVT có q trình tăng tốc giảm tốc diễn nhanh êm dịu Bên cạnh đó, việc 256 sử dụng hộp số CVT cho phép động xe ln trì tốc độ quay ổn định dải tốc độ quay định mà động làm việc có hiệu suất cao mức tiêu hao nhiên liệu thấp [1-4] Số lượng chủng loại xe trang bị hộp số CVT xuất ngày nhiều, hộp số CVT dạng đai truyền loại dùng phổ biến nhất, có kết cấu đơn giản, nhỏ gọn hiệu suất truyền động tương đối cao so với loại hộp số CVT khác Theo số tài liệu [2, 4], hiệu suất làm việc cao hộp số CVT dạng đai truyền đạt đến 97% Trên giới, việc nghiên cứu mô động lực học chuyển động tơ có trang bị loại hộp số CVT đề cập thực từ sớm [16] Tuy nhiên, phương pháp nghiên cứu tài liệu nêu dựa sở xây dựng mơ hình tốn học cụm phương pháp điều khiển hệ thống, sau sử dụng cơng cụ Simulink phần mềm Matlab để tính tốn xác định thơng số mục tiêu đưa kết luận cần thiết Việc mô động lực học chuyển động xe đường phẳng ngang nhằm xem xét khả tăng tốc tiêu hao nhiên liệu chạy xe Ở nước, mô động lực học chuyển động xe có sử dụng hộp số CVT cịn quan tâm chưa có nhiều kết nghiên cứu cơng bố Điều khiến cho việc nghiên cứu khảo sát tính chất động lực học chuyển động xe có trang bị hộp số CVT cịn gặp nhiều khó khăn Bài báo trình bày phương pháp đơn giản hiệu nhằm thiết lập mơ hình mô nghiên cứu động lực học chuyển động thẳng tơ có trang bị hộp số CVT dạng đai truyền, mơ q trình xe lên xuống dốc Mơ hình mơ động lực học chuyển động thẳng xe thiết lập sở lý thuyết dịng lực, sử dụng mơ-đun có tùy chỉnh cơng cụ SimDriveline Matlab Việc nghiên cứu kết cấu chi tiết, động lực học hệ thống dẫn động điều khiển phương pháp điều khiển thay đổi tỷ số truyền hộp số CVT khơng nghiên cứu trình bày phạm vi báo SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 Cấu trúc hệ thống truyền lực sử dụng hộp số CVT dạng đai truyền Hình trình bày sơ đồ liên kết cụm truyền mô men xoắn hệ thống truyền lực (HTTL) sử dụng hộp số CVT dạng đai truyền có biến mơ men thủy lực sử dụng phổ biến Hình Hệ thống truyền lực sử dụng hộp số CVT dạng đai truyền có biến mơ men thủy lực (1)- Bộ biến mô men thủy lực, (2)- Bộ bánh hành tinh DNR, (3)- Cơ cấu phanh, (4)- Cơ cấu ly hợp, (5)-Bộ truyền đai, (6)- Nửa di động puly chủ động, (7)- Nửa di động puly bị động Cũng loại hộp số CVT khác, hộp số CVT dạng đai truyền có cấu tạo thường gồm ba phận sau: (i) Cơ cấu biến đổi tỷ số truyền (Variator): Chính truyền đai, cấu tạo puly chủ động, puly bị động đai truyền Các puly thay đổi bán kính làm việc dịch chuyển nửa di động puly dọc theo trục quay chúng (ii) Cơ cấu chấp hành (Actuators): Là cấu dẫn động điều khiển vị trí dọc trục nửa di động puly, điều khiển việc đóng mở cấu phanh ly hợp hộp số Cơ cấu chấp hành kiểu khí, kiểu thủy lực - điện từ, kiểu khí - điện kết hợp Hiện nay, cấu chấp hành kiểu thủy lực - điện từ sử dụng phổ biến có kết cấu đơn giản hiệu suất cao (iii) Bộ điều khiển tự động hộp số (Transmission Control Unit, TCU): Bộ điều khiển nhận tín hiệu (vị trí bàn đạp chân ga, tốc độ quay động cơ, tốc độ quay trục puly, áp suất dầu thủy lực,…) từ cảm biến lựa chọn thuật tốn thích hợp SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) để lệnh cho cấu chấp hành thay đổi tỷ số truyền truyền đai điều khiển hoạt động hộp số theo chế độ vận hành xe Ngồi ra, Hình 1, hộp số CVT cịn có phận khác biến mô men thủy lực (Torque Converter, TC), truyền bánh hành tinh DNR (Drive - Neutral - Reverse, DNR) Để đơn giản, Hình khơng mơ tả phận cấu chấp hành điều khiển tự động hộp số CVT Trên Hình 1, TC có trục chủ động (trục bánh bơm) nối cứng với trục khuỷu động cơ, trục bị động (trục bánh tua-bin) nối cứng với trục chủ động DNR (giá hành tinh) Trong TC có bố trí ly hợp khóa biến mô (Lock-up Clutch) Để nâng cao hiệu suất truyền động hộp số, ly hợp khóa biến mơ đóng để nối cứng trục bánh bơm với trục bánh tua-bin chênh lệch vận tốc quay hai trục nhỏ Việc sử dụng DNR cho phép ô tô chuyển động tiến, lùi đứng yên (không truyền lực) Trục bị động DNR (trục bánh mặt trời) đồng thời trục quay puly chủ động truyền đai Bộ DNR bao gồm cấu bánh hành tinh hai bậc tự kết hợp với cấu phanh (3) cấu ly hợp ma sát ướt (4) Khi cấu phanh mở cấu ly hợp đóng, bánh hành tinh khóa với bánh mặt trời DNR cho số truyền tiến số truyền thẳng; cấu phanh đóng cấu ly hợp mở trục DNR đảo chiều quay làm cho xe chuyển động lùi Nếu cấu phanh cấu ly hợp mở hộp số CVT trạng thái trung gian, không truyền mô men xoắn Hiện nay, truyền đai hộp số CVT cịn có hạn chế khả truyền mô men xoắn phạm vi thay đổi tỷ số truyền Vì thế, hộp số CVT áp dụng chủ yếu số loại xe con, xe du lịch loại nhỏ loại vừa Trong đó, hộp số CVT thường đặt ngang xe, bố trí cụm với truyền lực vi sai cầu xe Mơ hình động lực học chuyển động thẳng tơ Để mô động lực học chuyển động thẳng ô tô, trước hết ta thiết lập mô hình động lực học chuyển động thẳng xe, Hình Trên Hình 2, dịng mơ men xoắn truyền từ động (Engine) qua biến mô men thủy lực TC tới truyền bánh hành tinh DNR qua truyền đai (ký hiệu CVT) tới cụm truyền lực (Final Drive) tới khối bánh xe chủ động động lực học thân xe (Wheel and Vehicle) Trong đó, bánh xe chủ động thành phần cuối hệ thống truyền lực, làm cho 257 HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 Hình Mơ hình động lực học chuyển động thẳng ô tô sử dụng hộp số CVT dạng đai truyền xe di chuyển nhờ lực kéo sinh tương tác lốp xe với mặt đường Để thuận tiện đơn giản cho q trình tính tốn, ảnh hưởng dao động xoắn HTTL kể đến qua hệ số độ cứng xoắn tương đương kti , kto hệ số cản giảm chấn xoắn tương đương cti , cto HTTL, đặt trục chủ động trục bị động truyền đai mơ hình Hình Trên Hình 2, động nguồn sinh mô men xoắn Te có vận tốc quay we , w p mô men xoắn vận tốc quay trục bánh bơm biến mô men thủy lực, bỏ qua tổn hao ma sát ta có phương trình sau: ìTe = G(a , we ) ï Te (t ) - T1 (t ) í ïwe (t ) = Je ỵ (1) Trong hệ phương trình (1), Je mơ men qn tính động bánh bơm quy dẫn trục khuỷu động cơ, Γ hàm số vận tốc quay we tín hiệu vị trí bàn đạp chân ga a (với a nhận giá trị khoảng từ 0¸1 tương ứng với trạng thái bàn đạp chân ga từ không đạp đến đạp kịch sàn) Việc tính tốn xác định Γ đòi hỏi số liệu thử nghiệm phức tạp Bài báo sử dụng phương pháp tính gần theo công thức Lây-đéc-man [7] để xây dựng đặc tính ngồi động Các giá trị mơ men xoắn đường đặc tính cục động lấy cách tỷ lệ theo tăng giảm tín hiệu bàn đạp chân ga Khi thiết lập mơ hình tính tốn biến mơ men thủy lực, để đơn giản, ứng dụng kết nghiên cứu Kotwicki [8] để thiết lập mối liên hệ mơ men vận tốc góc trục bánh bơm trục bánh tua-bin dạng phương trình bậc hai Trong báo này, ta xét đến trường hợp chuyển động tiến xe Ký hiệu T2 t mô men xoắn vận tốc quay trục bánh tua-bin, chế độ làm việc biến mô men thủy lực mô tả sau: - Trường hợp biến mô men hoạt động khớp nối ly hợp thủy lực: 258 T1 = T2 = a1w 2p + a2w p wt + a3wt2 (2) - Trường hợp biến mô men hoạt động chế độ khuếch đại mơ men: ìT1 = b1w 2p + b2w pwt + b3wt2 ï í 2 ï ỵT2 = c1wb + c2w pwt + c3wt (3) - Trường hợp biến mô men hoạt động khớp nối cứng (ly hợp khóa biến mơ đóng): (4) Trong đó, hệ số a1 , a2 , a3 , , b2 , b3 , , c2 , c3 hệ số số xác định thơng qua thực nghiệm; TLH mô men ma sát ly hợp khóa biến mơ Theo [9], để đơn giản hóa mà bảo đảm tính xác tương đối mơ hình, TLH tính theo cơng thức sau: - Khi ly hợp đóng hồn ( w p = wt ): TLH = ms × FN × Rtb p (5) - Khi ly hợp trạng thái trượt ( w p ¹ wt ): TLH = sign(w p - wt ) × md × FN × Rtb p (6) Trong (5) (6), FN lực ép lên đĩa ma sát, Rtb bán kính ma sát trung bình, số lượng đơi bề mặt ma sát, s md hệ số ma sát tĩnh hệ số ma sát động ly hợp Ký hiệu iDNR hDNR tỷ số truyền hiệu suất truyền động DNR dịng truyền mô men xoắn từ trục bánh tua-bin đến trục puly chủ động truyền đai tính sau: h DNR ì T2 ïT2 m = i DNR ï ï T2 - T2 m ïw2 m = J DNR í ïT = k (q - q ) + c (w - w ) ti 2m 2i ti 2m 2i ï 2i ï T2 m - T2i ïw2i = J 2i ỵ (7) SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 Trong (7), T2m , 2m , q 2m , T2i , w2i , 2i tương ứng giá trị mô men xoắn, tốc độ góc góc xoay đầu bên trái đầu bên phải trục nối bánh mặt trời DNR puly chủ động truyền đai; kti cti hệ số độ cứng xoắn tương đương hệ số cản giảm chấn xoắn tương đương đặt trục nối này; JNDR mơ men qn tính quy dẫn chi tiết chuyển động quay từ trục bánh tua-bin trục bị động DNR, J2i mô men quán tính chi tiết trục nối bánh mặt trời puly chủ động truyền đai Giả thiết dây đai không trượt theo hướng tiếp tuyến với puly, iCVT tỷ số truyền đai xác định theo sơ đồ Hình ỷ ố Hình Sơ đồ ề ủ ộ ền đai (a)- Tỷ số truyền cao; (b)- Tỷ số truyền thấp Trên Hình 3, số puly chủ động, số puly bị động, chúng có đường kính làm việc tức thời vận tốc quay tương ứng d P , wP d S , wS Theo đó, tỷ số truyền iCVT truyền đai tính theo cơng thức sau: iCVT = d S wP = d P wS (8) Phương trình mơ tả động lực học cụm cịn lại HTTL xe sau: hCVT ì ïTto = i T2i CVT ï ï T2i - Tto ïwto = J 2o ï ïT fd -in = kto (qto - q fd -in ) + cto (wto - w fd -in ) ï í Tto - T fd -in ïw fd -in = ï J fd -in ï T fd -ini fd - Tr ï ïww = J ew ï ïỵTr = Tangle (t ) + Troll (t ) + Tairdrag (t ) (9) Trong (9), hCVT hiệu suất truyền đai; Tto , wto , to T fd -in , w fd -in , q fd -in tương ứng mơ men xoắn, vận tốc góc, góc xoay đầu trục trục nối puly bị động với bánh chủ động truyền lực Hình 2; kto , cto hệ số độ cứng xoắn tương đương, hệ số cản giảm chấn xoắn tương đương mơ men qn tính chi tiết đặt trục nối này; i fd tỷ số truyền truyền lực chính; ww vận tốc góc bánh xe chủ động tơ Trong (9), J ew mơ men qn tính tương đương ô tô quy dẫn trục bánh xe chủ động; Tr giá trị mô men cản chuyển động tơ tính theo giá trị mơ men cản thành phần tương ứng; Tangle , Troll , Tairdrag giá trị mô men cản chuyển động ô tô tác dụng lực cản lên dốc, lực cản lăn lực cản khơng khí Các giá trị J ew , Tr , Tangle , Troll , Tairdrag tính theo [10] Hình Mơ hình mơ động lực học chuyển động thẳng ô tô sử dụng hộp số CVT dạng đai truyền Hình Mơ hình mơ biến mô men thủy lực SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) Hình Mơ hình mơ truyền đai 259 HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 Mơ hình kết mơ động lực học chuyển động thẳng tơ Mơ hình mơ thiết lập sở sử dụng mô-đun tùy chỉnh SimDriveline Matlab Trên Hình 4, mô đun thiết lập xếp theo sơ đồ dịng truyền mơ men xoắn mơ tả mơ hình động lực học xe Hình Trong đó, chuyển động tiến, phần tử bánh DNR khóa cứng cho tỷ số truyền 1, nên mô hình mơ phỏng, DNR lược bỏ Hình mô biến mô men thủy lực truyền đai hộp số CVT dạng đai truyền Có nhiều phương pháp thuật tốn điều khiển tỷ số truyền hộp số CVT, tùy theo nhà sản xuất, nêu [6] Trong trình mơ phỏng, báo sử dụng phương pháp đơn giản điều khiển tỷ số truyền iCVT truyền đai theo tín hiệu tốc độ xe, theo sơ đồ điều khiển tỷ số truyền Hình Hình Đồ thị vận tốc chuyển động thẳng xe Hình 10 Đồ thị gia tốc chuyển động thẳng xe Hình 11 Đồ thị tốc độ quay trục truyền đai Hình Tín hiệu điều khiển tỷ số truyền truyền đai Trên Hình tín hiệu điều khiển q trình mơ theo phương án đề xuất, áp dụng cho xe Audi A3 2.0 FSI Các tín hiệu điều khiển gồm tín hiệu góc dốc đường xe chạy (Road Incline, độ), tốc độ gió (Wind speed, m/s), tín hiệu vị trí bàn đạp chân ga (Throttle Signal, 0¸1), tín hiệu bàn đạp chân phanh để dừng xe (Brake Signal, 0¸1) Thời gian mơ 150s Hình 12 Đồ ị ắ ủ ụ ộ ền đai Hình 13 Tỷ số truyền iCVT đạt mơ Hình Các tín hiệu điều khiển mơ Trên Hình 9, 10, 11, 12, 13 đồ thị động lực học xe thu sau mô 260 Theo chế độ mô Hình 8, khoảng từ 0s¸70s xe tăng tốc tối đa đường phẳng ngang, khoảng 70s¸100s độ dốc đường lớn 25 o giây thứ 90 Tiếp tục, khoảng 100s¸135s độ dốc nhỏ -10 o giây thứ 120 Trong khoảng 135s¸150s xe thực phanh giảm tốc đường phẳng ngang Các kết mô vận tốc gia tốc xe Hình SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 Hình 10 cụ thể sau: TÀI LIỆU THAM KHẢO Bảng Một số kết mô ị Tham số Đơn vị Vận tốc lớn xe 230 Gia tốc lớn xe 6,92 m/s2 s 134.3 m Thời gian tăng tốc 0¸100km/h Qng đường tăng tốc 0¸100km/h km/h Trên Hình 11 12, khoảng 0s¸13,4s trục puly chủ động (CVT Primary) có tốc độ quay (tính theo đơn vị vịng/phút (viết tắt rpm) lớn mô men xoắn (đơn vị tính N.m) nhỏ trục puly bị động (CVT Secondary), tỷ số truyền truyền đai lớn Khi xe khởi hành, tỷ số truyền iCVT (CVT ratio) có giá trị lớn 2,4, đảm bảo cho xe khởi hành nhanh Sau xe chuyển động ổn định vận tốc cao iCVT giảm dần đạt giá trị nhỏ 0,8, tốc độ quay trục puly bị động cao tốc độ quay trục puly chủ động, tương ứng mô men xoắn trục puly bị động nhỏ so với trục puly chủ động Hình 13 biểu diễn giá trị tỷ số truyền truyền đai đạt theo chế độ mô sơ đồ điều khiển iCVT Hình Đường cong iCVT biến thiên trơn liên tục đảm bảo cho giá trị tốc độ quay trục puly chủ động thay đổi trì tốc độ cao ưu điểm hộp số CVT so với loại hộp số có cấp khác Qua mô phỏng, ta thấy kết mô tương đối phù hợp với thực tế, vận tốc lớn mà xe đạt mô 230km/h, xe thực tế 215km/h, xe tăng tốc từ 0-100 (km/h) vòng 9s, xe thực tế 9,3s Kết luận Bài báo trình bày phương pháp đơn giản hiệu nhằm thiết lập mơ hình tính tốn mơ động lực học chuyển động thẳng tơ có trang bị hộp số CVT dạng đai truyền công cụ SimDriveline Matlab Phương pháp cho phép tính tốn dịng truyền mơ men xoắn tốc độ quay cụm chi tiết HTTL xe cách nhanh chóng, thuận tiện, cho phép kiểm tra khảo sát dòng lực nhiều điểm HTTL, làm sở cho trình nghiên cứu động lực học chuyển động xe có trang bị hộp số CVT nói riêng loại hộp số khác nói chung Bên cạnh đó, mơ hình mơ xây dựng trực quan sát với kết cầu HTTL xe Tùy theo độ xác mong muốn, ta cịn nghiên cứu xây dựng mơ hình tính tốn mơ cách chi tiết, đầy đủ xác SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) [1] Hsien-Yu Kuo and Tyng Liu, On the design of continuously variable transmissions with bidirectional bridge structures for hybrid vehicles Applied Sciences, 2021 [2] Reza Kazemi, Mohsen Raf’at, and Amir Reza Noruzi, Nonlinear Optimal Control of Continuously Variable Transmission Powertrain International Scholarly Research Notices, 2014 [3] Da Wen Ge, Sugeng Ariyono and Daw Thet Thet Mon, A review on continuously variable transmissions control NCMER, p543-544, 2010 [4] Michael A Kluger and Douglas R Fussner, An overview of current CVT mechanisms, forces and efficiencies SAE Technical Paper, 1997 [5] Norman H Beachley and Andrew A Frank, Continuously variable transmissions: Theory and practice Lawrence Livermore National Lab, USA, 1979 [6] Serkan Güvey, Dynamic simualation and performance optimization of a car with continuously variable transmission Department of Mechanical Engineering, The Middle East Technical University, 2003 [7] Василий Васильевич Ларин Теория движения полноприводных колесных машин.Москва, 2010 [8] Allan J Kotwicki, Dynamic Models for Torque Converter Equipped Vehicles SAE Technical Paper, 1982 [9] 王玉海 拟人式自动变速系统控制方法研究 与 控 制 器 开 发 Tsinghua University, Beijing, China, 2005 [10] Nguyen T S., Song, J., Yu, L., Fang, S., Tai, Y., & Lu, Z Design and development of a real-time simulation and testing platform for a novel seamless two-speed transmission for electric vehicles Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, USA, 2019 Ngày nhận bài: 01/7/2021 Ngày nhận sửa lần 01: 30/7/2021 Ngày nhận sửa lần 02: 20/8/2021 Ngày duyệt đăng: 29/8/2021 261 ... trí cụm với truyền lực vi sai cầu xe Mơ hình động lực học chuyển động thẳng ô tô Để mô động lực học chuyển động thẳng ô tô, trước hết ta thiết lập mô hình động lực học chuyển động thẳng xe, Hình... - ĐỘNG LỰC 2021 Cấu trúc hệ thống truyền lực sử dụng hộp số CVT dạng đai truyền Hình trình bày sơ đồ liên kết cụm truyền mô men xoắn hệ thống truyền lực (HTTL) sử dụng hộp số CVT dạng đai truyền. .. chủ động thành phần cuối hệ thống truyền lực, làm cho 257 HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 Hình Mơ hình động lực học chuyển động thẳng ô tô sử dụng hộp số CVT dạng đai truyền xe di chuyển