2.1.1. Khái quát chung
Điều đầu tiên khi thực hiện tính toán hệ thống truyền lực là phải xây dựng đƣợc mô hình toán học của hệ thống. Các mối quan hệ toán học trong mô hình toán đƣợc xây dựng sẽ mô tảcác trạng thái hoạt động của hệ thống truyền lực, chúng đƣợc biểu diễn dƣới dạng các đẳng thức, phƣơng trình, bất phƣơng trình ... qua đó mô tả đƣợc bản chất vật lý của hệ thống theo đúng yêu cầu và phạm vi nghiên cứu.
Mô hình toán học là cơ sở để thực hiện tất cả các nhiệm vụ tính toán khi tiến hành khảo sát hệ thống truyền lực. Mô hình toán học phản ánh đầy đủ, trung thực bản chất vật lý của hệ thống sẽ cho kết quả tính toán đầy đủ và chính xác.
Mô hình toán của hệ thống truyền lực đƣợc xây dựng dựa trên các cơ sở sau: - Yêu cầu nhiệm vụ của bài toán.
- Mô hình vật lý của hệ thống.
- Tính chất của tín hiệu đầu vào, tín hiệu trạng thái và tín hiệu đầu ra. - Các giả thiết đƣợc sử dụng trong tính toán.
- Phƣơng pháp biểu diễn và tính toán hệ thống truyền lực. - Khả năng của ngƣời thực hiện.
Các thông số đầu ra chính là cái đích cần đạt đƣợc của quá trình tính toán. Việc xác định thông số đầu ra là gì lại căn cứ vào yêu cầu nhiệm vụ của bài toán cụ thể. Ví dụ, nếu yêu cầu của bài toán chỉ là xây dựng đặc tính kéo của xe, thì thông
40
số đầu ra chỉ là xác định quy luật thay đổi giá trị lực kéo đơn vị theo vận tốc chuyển động của xe. Nhƣng nếu bài toán yêu cầu đánh giá chất lƣợng xe theo các chỉ tiêu tăng tốc, tính việt dã, tính kinh tế nhiên liệu, độ êm dịu chuyển động v.v, thì thông số đầu ra sẽ là một tập hợp các giá trị hay miền giá trị khác nhau. Để có đƣợc một thông số đầu ra cần phải xây dựng một hoặc một số phƣơng trình tính toán. Hiển nhiên rằng càng nhiều thông số đầu ra cần xác định thì số lƣợng phƣơng trình cần thiết sẽ càng nhiều hơn, tức là quy mô của mô hình toán học sẽ lớn hơn.
Mô hình toán học phải đƣợc xây dựng theo mô hình vật lý và các đặc điểm cụ thể của hệ thống truyền lực. Các dạng hệ thống truyền lực khác nhau sẽ đòi hỏi các phƣơng pháp biểu diễn và tính toán khác nhau, có những phƣơng trình và số lƣợng phƣơng trình khác nhau, từ đó sẽ có những mô hình toán học khác nhau.
Hiện nay, khi tiến hành khảo sát hệ thống truyền lực trên xe, ngƣời ta thƣờng sử dụng các phƣơng pháp biểu diễn và tính toán hệ thống truyền lực sau:
- Biểu diễn và tính toán theo phƣơng pháp lực. - Biểu diễn và tính toán theo phƣơng pháp dòng lực.
- Biểu diễn và tính toán theo phƣơng pháp mô hình liên kết. - Biểu diễn và tính toán theo phƣơng pháp mô phỏng.
Phƣơng pháp lực, phƣơng pháp dòng lực và phƣơng pháp mô hình liên kết cũng chính là những phƣơng pháp thƣờng đƣợc sử dụng để phân tích hệ thống và xây dựng mô hình toán học của hệ thống truyền lực.
Hệ thống truyền lực của xe bao gồm rất nhiều các cụm và các phần tử với các chức năng và nhiệm vụ khác nhau. Thông thƣờng, hệ thống truyền lực bao gồm: Ly hợp, hộp số, hộp số phân phối, truyền lực các đăng, truyền lực chính, cầu xe và các bánh xe.
Cùng đó, để đảm bảo tăng tính năng thông qua cho các xe khi hoạt động trên các loại địa hình phức tạp, trong cơ cấu vi sai giữa các bánh xe hoặc vi sai giữa các cầu xe thƣờng có thiết kế với hệ số ma sát trong cao hoặc có cơ cấu khoá vi sai.
Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn, với đối tƣợng nghiên cứu là ô tô và máy kéo bánh, khi hoạt động trên các địa hình phức tạp với kết cấu của hệ thống
41
truyền lực có tất cả các cầu đều là cầu chủ động, hiện tƣợng tuần hoàn công suất sẽ xuất hiện đối với xe có bộ vi sai có ma sát trong cao hoặc khi khoá vi sai đang trong trạng thái hoạt động, các bánh xe trên cùng một cầu hoặc trên các cầu có bán kính lăn khác nhau, hệ số bám khác nhau giữa hai bánh xe trên cùng một cầu hoặc trên các cầu.
Do đó, nội dung chính của chƣơng này tập trung xây dựng mô hình của các phần tử trong hệ thống truyền lực nhƣ động cơ, mô hình cụm truyền lực chính và vi sai giữa hai bánh xe, mô hình cụm vi sai cầu xe, mô hình thân xe có các cầu đều chủ động, mô hình lốp có tƣơng tác mặt đƣờng, và mô hình động lực học toàn xe cho các loại xe có công thức bánh xe là 4x4.
Phƣơng pháp xây dựng mô hình mô phỏng là đi xây dựng các mô đun mô phỏng các cụm, các cơ cấu riêng biệt trong hệ thống truyền lực, sau đó bằng cách tổ hợp hệ thống, nối ghép các cụm theo kết cấu thực của hệ thống truyền lực cụ thể để có đƣợc mô hình mô phỏng hoàn thiện.
2.1.2. Khái quát chung về mô phỏng, phần mềm Matlab-Simulink và mô đun SimDriveline SimDriveline
a. Khái quát chung về mô phỏng
Trong kỹ thuật có thể hiểu mô phỏng là sự nghiên cứu hệ thống thực thông qua mô hình trạng thái, đảm bảo tính tƣơng tự giữa kết quả trên mô hình và kết quả của hệ thống thực trong cùng một điều kiện khảo sát với một sai số có thể chấp nhận đƣợc.
Hạn chế lớn nhất của mô phỏng chính là sự thiếu chính xác của kết quả giữa mô hình và hệ thống thực. Mức độ chính xác của quá trình mô phỏng phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Thứ nhất, tính trung thực khi mô tả các tính chất vật lý của hệ thống đƣợc nghiên cứu; thứ hai, mức độ sai số đƣợc lựa chọn; thứ ba, công cụ đƣợc sử dụng để tiến hành mô phỏng; và thứ tƣ là phƣơng pháp tính toán khi tiến hành mô phỏng.
Khái quát về phần mềm Matlab-Simulink và mô đun SimDriveline
42
phân tích một hệ thống động. Thông thƣờng Simulink đƣợc dùng để thiết kế hệ thống điều khiển, hệ thống thông tin và các ứng dụng mô phỏng khác. Simulink cho phép mô tả hệ thống tuyến tính, hệ phi tuyến, các mô hình trong miền thời gian liên tục và gián đoạn. Để mô hình hoá, Simulink cung cấp một giao diện đồ hoạ để sử dụng và xây dựng mô hình với thao tác “nhấn và kéo” chuột. Với giao diện đồ họa, có thể xây dựng và khảo sát mô hình một cách trực quan hơn. Đây là sự khác biệt với các phần mềm khác mà ngƣời sử dụng phải đƣa vào các phƣơng trình vi phân và sai phân bằng ngôn ngữ lập trình. Để sử dụng tốt Simulink, ngƣời sử dụng phải có kiến thức cơ bản về điều khiển, xây dựng mô hình toán học theo quan điểm của lý thuyết điều khiển và từ đó thành lập nên mô hình bài toán.
Ƣu điểm của Simulink trong MATLAB là khả năng kết tích hợp hệ thống rất mạnh mẽ. Simulink làm việc dựa trên cơ sở giải các phƣơng trình toán học. Vì vậy với một hệ thống có nhiều cụm có tính chất vật lý khác nhau (cơ khí, thuỷ lực, điện, khí ...) nếu có thể mô tả bằng các phƣơng trình toán học đều đƣợc giải kết hợp trong cùng một mô hình. Việc sử dụng Simulink cho phép kết hợp các hệ thống (khác nhau về phƣơng diện vật lý nhƣng biểu diễn đƣợc bằng các phƣơng trình toán học) trong cùng một mô hình.
Khi tiến hành mô phỏng, Simulink có thể thực hiện việc giải hệ phƣơng trình vi phân mô tả động học hệ thống bằng các phƣơng pháp nhƣ Ơle, Runge-Kutta3, Runge-Kutta5, LinSim, Gear, Euler vv... tuỳ theo lựa chọn của ngƣời thực hiện.
SimDriveline cũng là một Toolbox của MATLAB giao tiếp với Simulink qua các khối chuyển đổi đặc biệt. Đặc điểm của Simulink là tín hiệu đi theo chiều qui định và trong các mô hình Closeloop có tín hiệu phản hồi. Một điểm khác biệt cơ bản của SimDriveline so với Simulink là không qui định chiều đi của tín hiệu, tín hiệu phản hồi đi chung trong cùng một đƣờng truyền tín hiệu. Điều này làm mô hình mô phỏng gần với thực tế hơn.
Trong thƣ viện của SimDriveline có các khối cơ bản của xe nhƣ động cơ, biến mô thủy lực, ly hợp, hộp số thủy cơ, cơ khí, các trục truyền, vi sai, các cặp
43
bánh răng ăn khớp, bánh xe, thân xe... Tùy thuộc vào kết cấu của xe khác nhau, sử dụng các khối ghép nối với nhau để xây dựng mô hình cho phù hợp
2.2. Xây dựng mô hình khối hệ thống truyền lực xe hai cầu chủ động.
Mô hình hệ thống truyền lực với xe 4x4
Hình 2.1. Sơ đồ hệ thống truyền lực xe 4x4
1.Động cơ; 2. Ly hợp; 3.Hộp số; 4.Hộp số phân phối; 5. Các đăng; 6. Truyền lực chính và vi sai cầu sau; 7. Truyền lực chính và vi sai cầu trước;
Hệ thống truyền lực lắp trên xe có công thức bánh xe 4x4 thông thƣờng đƣợc sử dụng cho các xe chỉ huy, cứu thƣơng, ô tô vận tải có công dụng chung.
Với sơ đồ hệ thống truyền lực nhƣ trên, để kháo sát đƣợc hiện tƣợng tuần hoàn công suất cần phải xây dựng mô hình khối các phần tử của hệ thống.
2.2.1. Xây dựng mô hình khối động cơ
Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn, khối động cơ đƣợc xây dựng dựa trên cơ sở khối Gasoline Engine trong thƣ viện sẵn có của mô đun SimDriveline. Tuy nhiên, đƣờng đặc tính mô men và công suất của động cơ đƣợc xây dựng bằng cách sử dụng công thức thực nghiệm Lây đéc man cho động cơ xăng có bộ hạn chế tốc độ tối đa (theo tài liệu [2]). Tín hiệu đầu vào điều khiển của khối động cơ là tín hiệu phần trăm góc mở bƣớm ga và tốc độ thực tế của xe đƣợc đƣa trở lại để so sánh và tìm đƣợc giá trị mô men tƣơng ứng với chế độ hoạt động ở bƣớc tiếp theo.
44
(2.7) Me = [a+b. ] (2.1) Trong đó:
MeN - Mô men xoắn ứng với công suất hữu ích cực đại của động cơ
Me - Mô men xoắn ứng với tốc độ quay bất kỳ của trục khuỷu trên đồ thị đặc tính ngoài
nN - Tốc độ quay của trục khuỷu động cơ tƣơng ứng với công suất cực đại ne - Tốc độ quay của trục khuỷu động cơ tƣơng ứng với công suất Ne và mô men xoắn Me
a,b,c - Các hệ số thực nghiệm của động cơ. Với các loại động cơ có các thông số kỹ thuật chính nhƣ Nemax, Memax và số vòng quay trục khuỷu tại các vị trí đó. Ta có thể xác định các hệ số a, b, c một cách chính xác, bằng phƣơng pháp giải tích nhƣ sau: a = (2.2) b = (2.3) c = (2.4) Với = (2.5) = (2.6)
Memax - Mô men xoắn cực đại động cơ
nM - Tốc độ quay trục khuỷu tại vị trí đạt mô men xoắn cực đại Công suất động cơ đƣợc tính theo công thức sau đây:
Ne =
Đoạn mã xây dựng đặc tính cho động cơ xăng có bộ hạn chế tốc độ tối đa sử dụng để xây dựng mô hình mô phỏng khối động cơ đƣợc thể hiện trên Hình 2.2, Hình 2.3 thể hiện hộp thoại giao diện nhập dữ liệu đầu vào cho khối động cơ.
45
Hình 2.2. Đoạn mã xây dựng đường đặc tính của động cơ xăng theo Lây đéc man
Hình 2.3. Hộp thoại nhập thông số chính của động cơ
Các thông số chính đƣợc nhập vào đó là công suất lớn nhất (Maximum power), tốc độ ứng với công suất lớn nhất (Speed at maximum power), tốc độ lớn nhất (Maximum speed), tốc độ nhỏ nhất (Minimum speed). Mô hình mô phỏng khối động cơ đƣợc xây dựng trong SimDriveLine đƣợc biểu thể hiện nhƣ hình 2.3.
46
Hình 2.4. Mô hình mô phỏng khối động cơ được trong SimDriveLine
Tín hiệu đầu vào là phần trăm góc mở bƣớm ga, đƣa vào và tra bảng đặc tính, tìm đƣợc giá trị mô men, giá trị mô men đƣợc đƣa tới bộ chuyển đổi năng lƣợng Transducer, và đƣợc đƣa đến cổng kết nối ra phần tiếp theo của hệ thống truyền lực. Mô men của động cơ sinh ra đƣợc cân bằng với mô men truyền từ mặt đƣờng lên trên trục kết nối cứng, giá trị tốc độ thực tế của trục cứng (từ bánh xe) đƣợc đƣa trở lại tra bảng tìm đƣợc giá trị mô men của động cơ tƣơng ứng ở trạng thái tiếp theo. Nhƣ vậy quá trình hoạt động của khối động cơ đƣợc mô phỏng là phù hợp với quá trình thực tế.
2.2.2. Xây dựng mô hình khối ly hợp
Trong việc mô phỏng hệ thống truyền lực, việc mô phỏng các trạng thái hoạt động của khối ly hợp là rất khó khăn.
Hình 2.5. Sơ đồ ly hợp xe gaz 66
47
(2.8) Theo lý thuyết dòng lực, ly hợp là một nút trƣợt khi tốc độ của hai khâu chủ động và bị động không bằng nhau nhƣng không ngắt hoàn toàn, là nút xuyên suốt khi tốc độ giữa hai khâu bằng nhau (không có trƣợt), và là nút không tải khi ngắt hoàn toàn. Trạng thái không trƣợt xảy ra khi mô men của khâu chủ động nhỏ hơn hoặc bằng mô men ma sát của ly hợp. Trong trƣờng hợp đó toàn bộ công suất đƣợc truyền qua ly hợp, khâu bị động nhận giá trị mô men bằng mô men của khâu chủ động. Tốc độ của khâu chủ động và tốc độ của khâu bằng nhau.
Khi mô men của khâu chủ động lớn hơn mô men ma sát, ly hợp rơi vào trạng thái trƣợt. Mô men trên khâu bị động nhận giá trị bằng mô men ma sát, và đó cũng chính là giá trị mô men cản chất lên khâu chủ động. Sự chênh lệch giữa mô men chủ động và mô men cản tạo gia tốc cho khâu chủ động. Phƣơng trình tính toán tốc độ khâu chủ động nhƣ sau :
. = - Trong đó:
Jcd: Mô men quán tính của phần chủ động của ly hợp wcd: Tốc độ góc
của phần chủ động Mcd: Mô men của phần chủ động ly hợp Mc: mô men cản chất lên phần chủ động Phƣơng trình lực mô tả hoạt động của li hợp nhƣ sau:
Mf = P. .Rc.z (2.9) Mbd = và ∆w = 0 ( 2.10)
Trong đó:
Mf: Mô men ma sát của ly hợp P: Lực ép trên bề mặt đĩa ma sát
Rc: Bán kính tác dụng quy dẫn của lực ép m: Hệ số ma sát của bề mặt đĩa ma sát. z: Số bề mặt đĩa ma sát của ly hợp
Mcd: Mô men của phần bị động của ly hợp
Trong thuật toán tính toán ly hợp xuất hiện đẳng thức (2.10) thể hiện phép so sánh mô men của khâu chủ động với mô men ma sát của ly hợp. Đó là điều kiện để
48
chuyển kênh tính giá trị mô men trên khâu bị động. Trong trƣờng hợp có trƣợt, giá trị này mới đƣợc gán cho Mc và đƣợc đƣa vào phƣơng trình (2.8) để xác định vận tốc của khâu chủ động. Phƣơng trình (2.8) cũng là phƣơng trình đặc trƣng tại các điểm cân bằng lực khi xây dựng mô hình toán học hệ thống truyền lực. Bằng cách sử dụng khối Controllable Friction Clutch trong thƣ viện của mô đun SimDriveLine, việc mô tả các trạng thái hoạt động của ly hợp ma sát đƣợc thực hiện một cách dễ dàng. Hộp thoại giao diện nhập dữ liệu cho khối ly hợp đƣợc thể hiện trên hình 2.5.
Hình 2.5. Hộp thoại nhập các thông số đầu vào của ly hợp
Với thuộc tính ly hợp có tác dụng hai chiều (Bidirection), nhập vào các thông số nhƣ đĩa ma sát (Number of friction dicks), bán kính tác dụng trung bình (Effective torque radius), lực ép trên bề mặt đĩa ma sát (Pick normal force), hệ số ma sát (Coefficient of friction table), ..., mô hình mô phỏng khối ly hợp chính đƣợc thể hiện nhƣ trên hình 2.6.
49
2.2.3. Xây dựng mô hình khối hộp số
Thực chất mô phỏng khối hộp số là mô phỏng động lực học một cặp bánh răng ăn khớp với tỷ số truyền nhất định. Theo quan điểm của lý thuyết dòng lực, hộp số có thể đƣợc biểu diễn với hai dạng nút đó là nút không tải (khi tỷ số truyền