2. Bộ điều khiển điện tử (ECU động cơ và ECT)
2.2.2. Quy luật sang số đảm bảo tính êm dịu
Đối với hộp số tự động, ngƣời lái không tự xác định thời điểm sang số và không điều khiển giảm ga khi sang số để đảm bảo quá trình này xảy ra một cách êm dịu. Vì vậy, muốn thiết lập cơ chế sang số êm dịu cần phải dựa vào đặc tính phối hợp động cơ với hệ thống truyền lực để lựa chọn đƣợc các thời điểm sang số tối ƣu nhất. Hình 2.8 mô tả các đồ thị đặc tính kéo của một ô tô có hộp số tự động ở các góc mở bƣớm ga khác nhau (5 và 45 độ). Các đặc tính này đƣợc xây dựng từ các đặc
tính cục bộ của động cơ kết hợp với các tỷ số truyền của hộp số. Có thể nhận thấy sự khác biệt rõ ràng giữa 2 trƣờng hợp. Ở hình bên trái, với góc mở bƣớm ga là 50 (góc mở lớn nhất đƣợc coi là 900) các đƣờng lực kéo ở 2 cấp số lân cận có giao điểm chung. Đó chính là những điểm chuyển số hợp lý nhất theo yêu cầu về độ êm dịu. Với các góc mở bƣớm ga là 450 (hình bên phải), các đƣờng lực kéo không cắt nhau, thậm chí nằm cách nhau khá xa. Trong trƣờng hợp này, điểm sang số tối ƣu nhất là điểm mà 2 đƣờng lực kéo nằm gần nhau nhất. Khi bƣớm ga mở hết cỡ thì điểm sang số chính là điểm ứng với vận tốc động cơ lớn nhất.
Bằng cách xác định các điểm sang số tối ƣu ở các góc mở bƣớm ga khác nhau, ngƣời ta xây dựng đƣợc đồ thị quy luật sang số tƣơng tự nhƣ trên nhƣng với các tiêu chí đạt đƣợc độ êm dịu cao nhất.
Hình 2.8. Đặc tính kéo của ô tô ở các góc mở bướm ga khác nhau
So với phƣơng án sang số với mức tiêu thụ nhiên liệu tối thiểu thì điểm sang số theo quy luật tiêu chí êm dịu có vận tốc lớn hơn, trừ trƣờng hợp bƣớm ga mở hết cỡ, khi đó 2 quy luật sang số trùng nhau.
2.2.3. Quy luật sang số theo phương án dung hòa.
Do quy luật sang số có thể đƣợc thiết lập nhằm đáp ứng nhiều tiêu chí khác nhau, ngƣời ta thƣờng đƣa ta thƣờng đƣa ra một số cơ chế dung hòa.
Cơ chế đơn giản nhất là lựa chọn điểm sang số nằm trong vùng đáp ứng mọi tiêu chí. Bằng cách làm này, mức tiêu hao nhiên liệu có thể cao hơn, nhƣng độ êm dịu vẫn ở mức chấp nhận đƣợc.
Cách làm thứ hai là thiết lập nên các chƣơng trình điều khiển khác nhau, mỗi chƣơng trình phù hợp với một tiêu chí cụ thể nhƣ đã nêu trên. Khi đó, tùy theo điều kiện chuyển động mà ngƣời lái lựa chọn chƣơng trình thích hợp. Chẳng hạn, nếu di chuyển trên đƣờng phố, ngƣời lái chọn chế độ tiết kiệm, còn khi đi đƣờng trƣờng thì nên chọn cơ chế êm dịu. Tuy nhiên với cách làm này, hệ thống điều khiển trở nên phức tạp hơn và dễ xảy ra nhầm lẫn trong quá trình sử dụng. Trên các ô tô hiện đại, hệ thống điều khiển thu thập thông tin, phân tích các dữ liệu về điều kiện vận hành và đƣa ra cơ chế thích hợp nhất để khuyến cáo ngƣời sử dụng.
2.2.4. Lựa chọn cấp số trong điều kiện vận hành thực.
Trong điều kiện vận hành thực tế có thể xảy ra những trƣờng hợp đặc biệt cần lƣu ý khi thiết lập quy luật sang số.
Trong trƣờng hợp thứ nhất thƣờng xảy ra khi lực kéo cần thiết (theo yêu cầu của điều kiện chuyển động cụ thể) nằm giữa 2 đƣờng lực kéo của 2 cấp số lân cận khi bƣớm ga mở ở một mức nhất định. Chẳng hạn, hình 2.9 mô tả các điểm làm việc trên đồ thị lực kéo ở 2 cấp số khác nhau. Đồ thị mô tả quan hệ giữa lực kéo tại bánh xe chủ động Pk với góc mở bƣớm ga α.
Giả sử ô tô đang chuyển động trên đƣờng bằng ở điểm 1 và bắt đầu lên dốc. Khi đó yêu cầu lực kéo tăng lên tới giá trị Pk,0 nhƣ mô tả trên hình vẽ. Lúc này ngƣời lái cảm nhận đƣợc sự suy giảm vận tốc của ô tô và tăng dần mức ga làm cho điểm làm việc về vị trí 2. Tại điểm này hệ thống tự động chuyển sang số thấp hơn với điểm làm việc mới là điểm 3.
Khi đã chuyển sang số thấp hơn, phản ứng tự nhiên của ngƣời lái là giảm bớt mức ga để duy trì vận tốc mong muốn. Vì vậy, lực kéo lại giảm dần cho tới điểm 4 thì hệ thống tự động chuyển lên số cao hơn (điểm 5). Lúc này lực kéo thực tại bánh xe lại nhỏ hơn so với lực kéo yêu cầu và quá trình lặp lại theo vòng quay nhƣ trên (5-2-3- 4-5). Trƣờng hợp này thƣờng xảy ra khi chuyển động trên đƣờng với độ dốc cao
hoặc trên đƣờng phố với mật độ giao thông cao, bắt buộc phải chuyển động với vận tốc thấp.
Hình 2.9. Sự dao động của điểm sang số giữa 2 cấp số lân cận với cùng một góc mở bướm ga.
Sự dao động của điểm làm việc mô tả trên đây dẫn đến hiện tƣợng liên tục nhảy số và các hệ quả của nó. Giải pháp đơn giản nhất để tránh hiện tƣợng trên là giảm ga để duy trì vận tốc ổn định ở cấp số thấp.
Hiện tƣợng nhảy số liên tục giữa 2 số lân cận có thể xảy ra trong các điều kiện chuyển động khác. Chẳng hạn, sau khi lên dốc có một đoạn xuống dốc ngắn rồi lại lên dốc. Trong trƣờng hợp này, khi bắt đầu xuống dốc ngƣời lái giảm mức ga và hệ thống tự động chuyển lên số cao hơn. Ngay sau đó đƣờng lại dốc lên và ngƣời lái buộc phải tăng ga dẫn đến hiện tƣợng chuyển về số thấp hơn. Nếu ô tô đƣợc trang bị hộp số thƣờng thì ngƣời lái quan sát đƣờng và sẽ không thực hiện chuyển số trong những tình huống nhƣ vậy, mà giữ nguyên cấp số thấp hơn. Nghĩa là chấp nhận chế độ làm việc bất hợp lý trong một khoảng thời gian rất ngắn để tránh việc liên tục nhảy số. Trong trƣờng hợp lái xe trên đƣờng phố với mật độ giao thông cao, hiện tƣợng liên tục nhảy số cũng có thể xuất hiện.
Các hệ thống điều khiển hiện đại có cơ chế thu thập dữ liệu về điều kiện chuyển động và trên cơ sở phân tích các dữ liệu đó đƣa ra cơ chế điều khiển phù hợp hơn.
Một trƣờng hợp đáng lƣu ý nữa là hiện tƣợng ngƣời lái bỏ chân ga để giảm tốc độ và sau đó là đạp phanh. Khi đó, hệ thống điều khiển phải xử lý theo hai hƣớng. Hƣớng thứ nhất là chuyển lên số cao hơn để động cơ hoạt động ở vùng tiêu thụ nhiên liệu thấp hơn. Hƣớng thứ 2 là chuyển về số thấp hơn để nâng cao hiệu quả phanh bằng động cơ. Để giải quyết vấn đề này, các hệ thống điều khiển hiện đại sử dụng thông tin về áp suất trong dẫn động phanh để biết ý muốn của ngƣời lái và đƣa ra quyết định phù hợp. Một thông tin nữa có thể sử dụng để xử lý trƣờng hợp này là tốc độ nhả bàn đạp ga. Nếu bàn đạp ga đƣợc nhả đột ngột, nghĩa là ngƣời lái mong muốn giảm tốc độ rất nhanh và tiếp theo đó thƣờng là đạp phanh. Lúc này nên chuyển về số thấp hơn để hỗ trợ hệ thống phanh giảm nhanh vận tốc của ô tô.
Tóm lại, dựa trên các quy luật sang số đã đƣợc thiết lập nhƣ trên, hệ thống điều khiển điện thủy lực thực hiện việc sang số một cách tự động để đáp ứng các điều kiện chuyển động cụ thể.
CHƢƠNG III: PHƢƠNG PHÁP XÂY DỰNG QUY LUẬT CHUYỂN SỐ CỦA HỘP SỐ TỰ ĐỘNG Ô TÔ CON.
3.1. Phương pháp tính toán
3.1.1. Đặc tính động cơ.
Để có thế tính mức tiêu hao nhiên liệu của xe ô tô trang bị hốp số tự động, các số liệu tính toán ta lấy theo xe tham khảo là Toyota Camry với động cơ đốt trong dùng nhiên liệu xăng, ký hiệu động cơ 2AZ-FE cùng thông số của nhà thiết kế: + Thông số của xe:
- Khối lƣợng của xe ma=1515kg. - Hệ số cản không khí Cx=0,32
- Diện tích cản chính diện A= 1,94 m2.
- Mô men cực đại của động cơ Memax= 189 Nm tại vòng tua ne= 4750v/ph. - Công suất cực đại của động cơ Nemax= 111kW tại vòng tua ne=5930v/ph. - Bán kính bánh xe rbx= 0,323m.
+ Thông số hệ thống truyền lực:
i0= 3,2; ih1= 2,64; ih2= 1,83; ih3= 1,47
Các tính toán đƣợc thực hiện cho trƣờng hợp ô tô chuyển động trên đƣờng bằng phẳng, chất lƣợng mặt đƣờng nhựa tốt với hệ số cản lăn f = 0,02.
Loại xe Động cơ Kí hiệu G (N) Cx A Memax Nemax rbx f Toyota
Camry Xăng 2AZ
FE 15150 0,32 1,94 189Nm 111 KW 0,323 m 0,02 4750v/p 5930v/p
Hệ thống truyền lực cơ khí kết hợp với biến mô thủy lực thƣờng đƣợc gọi là hệ thống truyền lực thủy cơ. Biến mô thủy lực là một bộ truyền vô cấp, khả năng biến đổi mô men của nó đƣợc đánh giá thông qua hệ số biến mô (tỷ số truyền lực).
μ= M2
M1 (3.1)
Trong đó: M1 là mô men trên trục chủ động của biến mô và M2 là mô men trên trục bị động của nó.
Hình 3.1: Các thông số đầu vào và đầu ra của biến mô thủy lực
Quan hệ giữa vận tốc của các trục ra và trục vào đƣợc gọi là tỷ số truyền động học ν:
ν = n2
n1 (3.2) Hiệu suất của biến mô đƣợc xác định nhƣ sau:
η = N2
N1 = μ.ν (3.3)
Trong hệ thống truyền lực thủy cơ, tỷ số truyền lực thủy cơ, tỷ số truyền lực đƣợc tính nhƣ sau:
iT = μ.ih.io (3.4) trong đó μ biến thiên liên tục từ 1 đến μmax.
Tuy nhiên, giá trị μmax chỉ đạt đƣợc khi biến mô trƣợt hoàn toàn. Hơn nữa trong vùng tỷ số truyền nhỏ, hiệu suất của biến mô thủy lực rất thấp nên trong thiết kế ngƣời ta tránh để ô tô hoạt động trong vùng này. Vì vậy, khi xác định tỷ số truyền lớn nhất của hệ thống truyền lực ngƣời ta không lấy giá trị μmax mà chỉ chọn μ tại điểm hiệu suất đạt tới ngƣỡng chấp nhận đƣợc. Hiệu suất tối thiểu đƣợc chấp nhận đối với biến mô trong hệ thống truyền lực ô tô thƣờng là 80%. Khi đó hệ số biến mô của ô tô tải nằm trong khoảng từ 1,8-2,0, con đối với biến mô ô tô con μ= 1,5-1,7. Tỷ số truyền lớn nhất của hệ thống truyền lực trong trƣờng hợp này đƣợc tính nhƣ sau:
iTmax = μη.ih.io (3.5)
trong đó μη là hệ số biến mô tƣơng ứng với giá trị hiệu suất ngƣỡng η đƣợc chọn. Chẳng hạn, nếu coi hiệu suất thấp nhất có thể chấp nhận đƣợc là 80% thì μη = μ80. Ứng với một tỷ số truyền của hộp số cơ khí, tỷ số truyền chung của hệ thống truyền lực có thể biến thiên một cách liên tục trong khoảng từ 1 đến μη. Vì vậy, đối với hệ thống truyền lực thủy cơ, mô men cản tại bánh xe quy về đồ thị đặc tính của động cơ không còn là một đƣờng mà là một vùng, giới hạn bởi các đƣờng tƣơng ứng với tỷ số truyền từ iTmin = ih.io đến iTmax = μη.ih.io (hình 3.1).
Trên hình 3.1 thể hiện đƣờng Me là mô men của động cơ đƣợc lấy từ đặc tính ngoài. Các đƣờng iTmin và iTmax thể hiện mô men cả tại bánh xe quy về động cơ thông qua các tỷ số truyền nhỏ nhất của hệ thống truyền lực ở cấp số đang xét.
Hình 3.2: Đặc tính động cơ phối hợp với hệ thống truyền lực có biến mô thủy lực
Nhƣ vậy có thể thấy rằng, cùng một hệ số thích ứng, hệ thống truyền lực có biến mô thủy lực làm cho khả năng lựa chọn tỷ số truyền tăng lên đáng kể so với hệ thống truyền lực cơ khí đơn thuần. Vì lý do này mà trƣớc đây, các hệ thống truyền lực thủy cơ thƣờng đƣợc thiết kế với cấp số ít hơn so với hệ thống truyền lực cơ khí tƣơng đƣơng. Tuy nhiên, trong những năm gần đây, ngƣời ta có xu hƣớng tăng cấp số cho các hộp số tự động có biến mô thủy lực nhằm cải thiện tính kinh tế nhiên liệu của nó.
3.1.2. Các công thức tính toán
Mức tiêu thụ nhiên liệu là một trong những thông số quan trọng phản ánh hiệu quả hoạt động của ô tô, thƣờng đánh giá thông qua lƣợng nhiên liệu tiêu thụ trong một giờ. Lƣợng nhiên liệu tiêu thụ trong một giờ Q đƣợc tính theo công thức:
Q= Ne*h*ge/ρn (3.6)
Về bản chất, hệ thống truyền lực là hệ thống truyền công suất của động cơ tới các bánh xe chủ động. Nếu gọi công suất phát ra của động cơ là Ne và công suất mà bánh nhận đƣợc Nk thì ta có công thức:
Nk = Ne.ηT (3.7)
Trong đó, ηT là hiệu suất của hệ thống truyền lực. Công suất trên trục của động cơ đƣợc tính theo mô men Me và vận tốc góc ɷe trên trục của nó:
Ne = Me. ɷe (3.8)
Trong khi ô tô chuyển động, công suất tại bánh xe đƣợc thể hiện thông qua mô men xoắn Mk và vận tốc góc ɷk:
Nk = Mk. ɷk (3.9)
Hoặc thông qua lực kéo Pk và vận tốc chuyển động của ô tô V: Nk = Pk.V (3.10) Với: Pk= Mk rbx (3.11) V= ɷk.rbx (3.12) Trong đó, rbx là bán kính bánh xe.
Để ô tô có thể chuyển động đƣợc thì phải thỏa mãn điều kiện: Pk ≥ Σ Pc (3.13)
Trong đó Σ Pc là tổng các lực cản chuyển động của ô tô.
Với công suất tối đa của động cơ là Nemax và vận tốc chuyển động của ô tô là V, nếu bỏ qua tổn thất trong hệ thống truyền lực, thì lực kéo tại các bánh xe chủ động đƣợc tính toán nhƣ sau:
3.2. Trình tự tính toán
Để tiến hành nghiên cứu ảnh hƣởng của quy luật điều khiển tỷ số truyền của hệ thống truyền lực thủy cơ tới mức tiêu hao nhiên liệu trên ô tô con, tƣơng đƣơng ta cần tính lƣợng nhiên liệu của xe tiêu thụ theo đơn vị tính Q – lít/h. Để tính toán khối lƣợng Q, thì ta cần phải biết công suất của động cơ Ne và suất tiêu hao nhiên liệu ge. Vì vậy trình tự tính toán đƣợc tính toán đƣợc thực hiện theo các bƣớc:
- Tính tỷ số truyền của hệ thống truyền lực (hộp số và cầu chủ động): iHTck=ih*i0 (3.15)
iHTck1= ih1*i0 => iHTck1= 2,64*3,2= 8,45 iHTck2= ih2*i0 => iHTck2= 1,83*3,2= 5,86 iHTck3= ih3*i0 => iHTck3= 1,47*3,2= 4,8
* Tính tại vận tốc V=20 km/h
- Từ vận tốc V=20 km/h dựa trên đồ thị hình 2.3 – Đồ thị công suất ở các cấp số khác nhau ta xác định số vòng quay của động cơ ne ở các tỷ số truyển khác nhau. Theo đồ thị ta thấy ở vận tốc V=20km/h thì ô tô có thể chuyển động ở cấp số 1, 2 hoặc 3.
nei = 30ViπνrHTckbx (3.16) Trong đó:
+ ne là số vòng quay tƣơng ứng với tỷ số truyền + rbx là bán kính bánh xe.
+ ν tỷ số truyền của biến mô, chọn ν=0,9
+ iHTck là tỷ số truyền hệ thống cơ khí ở các cấp số tƣơng ứng. Ta có bảng 1: V=30 km/h
Bảng 1:
Tại tay số 1 iT1= 8,45 ne1= 1574 (v/p) Tại tay số 2 iT2= 5,86 ne2= 1069 (v/p) Tại tay số 3 iT3= 4,8 ne3= 876 (v/p)
- Từ ne số vòng quay động cơ dựa trên đồ thị hình 2.6 – Đồ thị đặc tính cục bộ động cơ ta xác định đƣợc mô men của động cơ với vận tốc động cơ ở góc mở bƣớm ga α khác nhau. Ta có bảng 2: Bảng 2: * Tại ne1= 1574 (v/p) α (độ) 2,5 5 10 25 30 45 90 Me1 (Nm) 42 94 116 129 131 133 135 * Tại ne2= 1069 (v/p) α (độ) 2,5 5 10 25 30 45 90 Me2 (Nm) 71 100 116 122 123 124 125 * Tại ne3= 876 (v/p) α (độ) 2,5 5 10 25 30 45 90 Me3 (Nm) 75 98 112 119 131 132 133
- Từ mô men động cơ Me đã tìm đƣợc ta xác định các lực kéo Pk tại các tay số khác nhau theo công thức:
Pki = Mk rbx = MeμiHTck rbx (3.17) Ta có bảng 3: Bảng 3: Me1 (Nm) 42 94 116 129 131 133 135 Pk1 (N) 1120,87 2508,61 3095,73 3442,66 3496,04 3549,41 3602,79 Me2 (Nm) 71 100 116 122 123 124 125 Pk2 (N) 1067,74 1848,30 2144,02 2254,92 2273,41 2291,89 2310,37