Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, trong quá trình sử dụng ô tô với một số điều kiện vận hành cụ thể, trong HTTL ô tô có thể xuất hiện tải trọng động (mô men động) lớn hơn nhiều so với mô men từ động cơ truyền tới. Trong đó, mô men cực đại xuất hiện khi khởi hành xe bằng cách đóng ly hợp đột ngột (nhả bàn đạp ly hợp đột ngột) được coi là lớn nhất [48]. Mô men cực đại xuất hiện trong trường hợp này có thể lớn hơn từ 2 đến 3 lần so với mô men truyền từ động cơ tới [43, 42, 48, 49]. Trên hình 1.9 mô tả dạng đồ thị biến thiên mô men trong HTTL đo được bằng thực nghiệm khi khởi hành xe [42].
Giá trị Mmax chính là mô men cực đại xuất hiện trong HTTL khi khởi hành xe bằng cách nhả nhanh bàn đạp ly hợp. Các nghiên cứu đã cho thấy, giá trị cực đại của mô men động trong HTTL phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau.
Để đánh giá mức độ quá tải trong HTTL, người ta thường sử dụng hệ số tải trọng động Kd:
KL = M)*+
MN)*+O (1.7) Trong đó: Mmax là mô men cực đại tại chi tiết đang xét, M’emax là mô men cực đại của động cơ quy dẫn về chi tiết đang xét.
Các kết quả nghiên cứu thực nghiệm [43, 48] cho thấy, tải trọng động xuất hiện trong HTTL ô tô tải nhỏ và trung bình khi khởi hành với ly hợp đóng đột ngột có thể lớn hơn nhiều lần so với mô men cực đại truyền từđộng cơ tới.
Hiện tượng tăng mô men do đóng ly hợp đột ngột đã được nghiên cứu và công bố trong các công trình [43, 42, 48, 49]. Theo [48], khi nhả bàn đạp ly hợp đột ngột, lực quán tính chuyển động tịnh tiến của đĩa ép làm tăng lực ép lên đĩa bị động và vì vậy, lực tác động lên đĩa này tăng lên so với lực ép của các lò xo. Các nghiên cứu [48] đã đưa ra một số kết luận như sau:
- Lực quán tính của các chi tiết chuyển động tịnh tiến (đĩa ép là chính) có thể lớn hơn lực ép của các lò xo ép một số lần.
- Các lực quán tính trên đây gần như không có ảnh hưởng đến mô men động trong HTTL vì tần số dao động của các khối lượng chuyển động tịnh tiến lớn hơn nhiều các tần
M t 0 Mmax Mod τ
của hệ thống dẫn động ly hợp nên mô men ma sát của ly hợp không tăng đột biến. Điều này đã được khẳng định bằng thực nghiệm: ngay cả khi mô men cực đại trên trục các đăng đạt giá trị gần gấp 2 lần mô men ma sát tĩnh của ly hợp thì mô men trên trục sơ cấp của ly hợp chỉ xấp xỉ mô men này.
- Các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đã cho thấy, khi nhả bàn đạp đột ngột, thời gian của một chu kỳ tải (một dao động) nằm trong khoảng 40/500 đến 250/500 giây, còn thời gian tăng mô men khi nhả ly hợp nhanh nhất trong dẫn động không có thủy lực là (7/500 - 20/500). Do trong hệ thống dẫn động có các khe hở nên, khi HTTL bắt đầu bị xoắn thì mô men ma sát cũng đạt được giá trị định mức của nó. Vì vậy, khi xác định tải trọng động có thể coi trường hợp ly hợp đóng nhanh nhất tương ứng với việc mô men ma sát tác động đột ngột vào HTTL.
Để mô tả hiện tượng xuất hiện tải trọng động trong HTTL, có thể sử dụng sơ đồ như trên hình 1.10 [48].
Sơ đồ gồm có 5 khối lượng quán tính, gồm: I1- động cơ và phần chủ động của ly hợp; I2- phần bị động của ly hợp (nối cứng với I3); I3- các chi tiết của HTTL; I4- các bánh xe chủ động; I5- khối lượng chuyển động tịnh tiến của ô tô. Khâu đàn hồi được lựa chọn là trục các đăng với hệ số đàn hồi quy đổi là E. Ly hợp L1 mô tả ly hợp của ô tô, L2 mô tả tương tác giữa bánh xe với mặt đường.
Ở vào thời điểm bắt đầu quá trình khởi hành, ly hợp L1 mở, tất cả các khối lượng quán tính đứng yên, trừ I1 đang quay. Sau đó, hiện tượng đóng L1 đột ngột được mô phỏng bằng cách đặt tức thời mô men ma sát Mc vào khối lượng quán tính I2. Khi đó trục có độ đàn hồi E bị xoắn và sinh ra tải trọng động trên nó. Trong quá trình xuất hiện mô men cực đại Mmax, có thể xảy ra trường hợp trượt các ly hợp L1 và L2. Giá trị của Mmax phụ thuộc vào trạng thái (trượt hoặc dính) của các ly hợp trong quá trình quá độ.
Các kết quả nghiên cứu thực nghiệm [49] cũng đã chỉ ra rằng, giá trị cực đại của
I1 I2 I3
L1 L2
I4 I5 E
các ly hợp L1 và L2. Trong quá trình xuất hiện tải trọng cực đại, thông thường ly hợp (L1) bị trượt, hoặc các bánh xe bị (L2) trượt quay trên mặt đường. Có nghĩa là, các mô men ma sát đóng vai trò giới hạn giá trị tải trọng cực đại. Tuy nhiên, mô men xoắn cực đại có thể vượt qua các giá trị giới hạn trên do tác động của các mô men quán tính xảy ra trong thời gian rất ngắn.
Giá trị của tải trọng cực đại trong HTTL cơ khí phụ thuộc vào nhiều yếu tố: - Mô men ma sát của ly hợp;
- Mô men bám giữa bánh xe chủ động với mặt đường; - Tỷ số truyền của HTTL;
- Các thông số kết cấu của các chi tiết trong HTTL: mô men quán tính, độ cứng và hệ số cản nhớt;
- …
Theo GS. Xitovich [48], các nghiên cứu thực nghiệm đã cho thấy, ở các tay số cao giá trị mô men động cực đại trong HTTL chịu ảnh hưởng chủ yếu của mô men ma sát của ly hợp. Còn ở các tay số thấp, giá trị mô men cực đại chịu ảnh hưởng mạnh của mô men bám và vận tốc góc của động cơ khi bắt đầu khởi hành. Các thông số kết cấu (mô men quán tính, độ cứng và hệ số cản nhớt) có ảnh hưởng ít hơn.
Hình 1.11 Sự phụ thuộc của mô men cực đại trên dẫn động cầu trước của ô tô vào mô men ma sát cực đại Mcmax và thời gian đóng ly hợp τc
Mm
ax
Mcmax, Nm
Ảnh hưởng của mô men ma sát của ly hợp đã được nghiên cứu và công bố trong các tài liệu [61, 48, 49]. Trên hình 1.11 thể hiện kết quả nghiên cứu trong Luận án tiến sỹ của Nguyễn Khắc Tuân (2011) về tải trọng động trong HTTL ô tô hybrid [37]. Kết quả trên đồ thị cho thấy mô men động cực đại trong HTTL phụ thuộc rất mạnh vào mô men ma sát của ly hợp.
Theo GS. Grishkevich, mô men xoắn cực đại Mmax trong HTTL phụ thuộc nhiều
vào tỷ số truyền chung iT của hệ thống. Mô men động cực đại trên trục sơ cấp của hộp số
có thể được tính gần đúng theo kinh nghiệm như sau [42]:
- Với tỷ số truyền !" ≤ 20, M)*+ = 2SMN)*+ (1.8) - Với tỷ số truyền !" ≥ 50, M)*+ = MW (1.9)
- Với tỷ số truyề 20 < !"< 50 :
M)*+ = 2SMN)*+− (2SMN)*+− 1,35MW)!"− 20
30 (1.10) Trong các công thức trên, Memax là mô men cực đại của động cơ; β là hệ số dự trữ mô men của ly hợp (thường lấy bằng 2 đối với ô tô tải); MW là mô men bám giữa bánh xe chủ động với đường.
Tỷ số truyền của HTTL gồm có tỷ số truyền của hộp số ih, tỷ số truyền của hộp số phụ ip (nếu có) và tỷ số truyền của truyền lực chính i0:
!" = !%![!& (1.11) Thực hiện tính toán theo công thức (1.11) cho ô tô tải có tải trọng 3 tấn, trang bị động cơ diesel với mô men cực đại là 290 Nm, trong dải tỷ số truyền của HTTL từ 30 đến 50 ta được kết quả như trên đồ thị (hình 1.12). Trên đồ thị, tải trọng động được đánh giá thông qua hệ số tải trọng động Kd = Mmax/Memax.
Có thể nhận thấy rằng, tải trọng động cực đại giảm mạnh theo tỷ số truyền. Nghĩa là, tay số càng cao thì tải trọng động càng lớn.
Quy luật trên cũng được khẳng định bằng kết quả thực nghiệm trên xe GAZ - 53A như trong bảng 1.1 [48]. Thí nghiệm trên được thực hiện trên đường nhựa tốt, bằng phẳng với ô tô không tải.
Bảng 1.1 Tải trọng động trên trục sơ cấp của ly hợp khi đóng ly hợp đột ngột
Tay số Mmax (kNm) Kd
1 11,4 1,9
11,7 2,0
2 8,6 3,0
8,8 3,1
Đối với ô tô Zil - 130 có tải trọng 5 tấn, kết quả thử nghiệm ở tay số 2, trên đường nhựa tốt với độ dốc 4% cho thấy Kd = 2,2. Đối với ô tô con, thử nghiệm ở tay số 1 trên đường tốt độ dốc 6% cho kết quả Kd = 2,0 [48].
Tuy nhiên, có thể nhận thấy rằng giá trị Kd đo được bằng thực nghiệm nhỏ hơn kết quả tính toán gần đúng trên đây (hình 1.12).
Các thông số kết cấu của các bộ phận trong HTTL như mô men quán tính, hệ số độ cứng, hệ số ma sát nhớt cũng là những thông số có ảnh hưởng đến giá trị tải trọng cực đại xuất hiện trong HTTL ô tô. Mức độ ảnh hưởng của các thông số này không lớn và phụ thuộc vào vị trí của chúng trong sơ đồ HTTL. Luận án của Nguyễn Khắc Tuân [37] đã khảo sát sự biến thiên của độ cứng (C) và hệ số cản nhớt (b) trên trục dẫn của động cơ điện trong HTTL ô tô hybrid. Kết quả cho thấy, mặc dù các thông số C và b được cho biến thiên trong vùng rất rộng, giá trị tải trọng cực đại trong HTTL thay đổi không nhiều theo các thông số trên (nhỏ hơn 10%).
Theo các nghiên cứu [43, 42, 48, 49], giá trị của mô men cực đại Mmax và điều kiện xuất hiện phụ thuộc vào kết cấu cụ thể của HTTL. Nghĩa là, đối với các HTTL khác nhau, trong các điều kiện làm việc khác nhau, mô men lớn nhất xuất hiện trong HTTL cũng khác nhau. Vì vậy, bài toán xác định mô men cực đại trong HTTL ô tô cần được thực hiện cho từng trường hợp cụ thể.
Để tính toán tải trọng động trong HTTL trong trường hợp đóng ly hợp đột ngột, người ta xây dựng mô hình tính toán bằng các phương pháp khác nhau, trong đó mô men
ma sát của ly hợp Mc tăng theo quy luật giả định được cho trước. Thông dụng hơn cả là quy luật tăng mô men dưới dạng sau [43, 48, 49]:
M$ = M$)*+ (1 − \] H^) (1.12) Trong biểu thức trên, Mcmax được tính theo mô men cực đại của động cơ:
M$)*+ = SMN)*+ (1.13)
với β là hệ số dự trữ mô men ma sát của ly hợp.
Tốc độ tăng mô men ma sát của ly hợp được thể hiện bằng hệ số k. Khi tính toán thường lấy thời gian đóng ly hợp _$ = 3/k, vì khi đó e –kt ~ 0. Thời gian đóng ly hợp càng ngắn thì tải trọng động càng lớn và ngược lại. Tuy nhiên, khi tăng thời gian đóng ly hợp
đến một ngưỡng nào đó thì tải trọng động không giảm nữa mà giữ giá trị không đổi (hình 1.11) [61].
Các kết quả nghiên cứu cũng cho thấy, với k > 150 1/s thì tải trọng động xuất hiện trong HTTL tương đương với trường hợp HTTL chịu tác động tức thời của một mô men có giá trị bằng mô men ma sát của ly hợp [48].
Trong quá trình mô hình hóa và mô phỏng HTTL, do mức độ phức tạp của hệ
thống rất cao, nên người ta thường sử dụng các hệ thống đơn giản hóa. Để xác định sơ bộ
mô men lớn nhất người ta có thể sử dụng mô hình với một khâu đàn hồi duy nhất [48]. Khi
đó toàn bộ các khâu đàn hồi của tất cả các phần tử trong hệ thống được quy dẫn về khâu
này (thường là trục các đăng). Trong những trường hợp tính toán chính xác tải trọng động
trên trục các đăng nên sử dụng mô hình với 2 khâu đàn hồi hoặc nhiều hơn. Nếu tăng thêm
khâu đàn hồi thì độ chính xác cũng không tăng đáng kể (không quá 5%) [48]. Nhìn chung,
mô hình được coi là có độ chính xác và mức độ phức tạp chấp nhận được trong nghiên cứu
tải trọng cực đại là mô hình với 5 khối lượng [20, 42, 49].
