c. Phân loại theo cấp tỷ số truyền của HTTL
2.2 Hệ thống điều khiển CVT
2.2.1. Nguyên lí chung
Có thể lấy một ví dụ của hệ thống điều khiển cơ điện tử CVT đƣợc mô tả dƣới dạng sơ đồ khối. Các phần tử trong hệ thống đƣợc liên kết với nhau thông qua dẫn động bằng cơ khí, điện hoặc thủy lực. Các phần tử của hệ thống đƣợc phân thành 3 nhóm : các cảm biến, các bộ điều khiển điện tử và cơ cấu chấp hành thủy lực.Các phần tử của hệ thống này đƣợc kết nối với các hệ thống điều khiển khác trên xe ( ECU điều khiển động cơ, ABS ECU của hệ thống chống hãm cứng bánh xe…) thông qua mạng CAN. Thông tin qua lại giữa các hệ thống này giúp cho TCM ( Transmission Control module) điều khiển CVT một cách tối ƣu nhất.
Các van trong hệ thống đảm nhận chức năng điều chỉnh áp suất và điều khiển dòng chất lỏng cấp tới các cơ cấu chấp hành.
1) Van chọn tiến /lùi thực hiện việc cấp chất lỏng tới xy lanh đóng li hợp hoặc phanh trong cơ cấu hành tinh để tạo số tiến hoặc lùi.
2) Van điều áp biến mô có nhiệm vụ điều chỉnh áp suất cấp vào biến mô thùy theo chế độ làm việc.
3) Van điều áp ly hợp điều chỉnh áp suất làm việc tùy theo điều kiện vận hành.
4) Van điều áp có nhiệm vụ duy trì áp suất chung trong hệ thống
5) Van tạo tỷ số truyền thự hiện việc cấp áp suất vào xy lanh điều khiển nửa puli động của puli chủ động.
6) Van điều khiển biến mô và van chọn chế độ biến mô
7) Van điện từ có nhiệm vụ điều khiển van điều áp chính của hệ thống.
8) Van điện từ khóa biến mô điều khiển van khóa biến mô 9) Mô tơ bƣớc điều khiển trực tiếp van tạo tỉ số truyền
10) Van thứ cấp có nhiệm vụ giảm áp suất thứ cấp cấp vào xy lanh điều khiển pu li bị động.
11) Van điều áp tiến/lùi thực hiện việc điều chỉnh áp suất tùy theo chế đọ tiến hoặc lùi
12)Van khóa biến mô thực hiện việc đóng và mở ly hợp khóa biến mô 13) Van áp suất thứ cấp điều khiển dòng dầu tới van thứ cấp
2.2.3. Hoạt động của hệ thống thủy lực
Hệ thống thủy lực là bộ phận chấp hành, nó thực hiện việc tạo tỷ số truyền của bộ truyền đai theo sự điều khiển của TCM. Trong quá trình hoạt động, khi điều kiện chuyển động thay đổi, TCM phát ra tín hiệu cho hệ thống thủy lực để tiến hành thay đổi tỷ số truyền.Sơ đồ của hệ thống thủy lực điều khiển bộ truyền đai đƣợc mô tả nhƣ hình 2.6 ở dƣới.
Hình 2.4. Sơ đồ hệ thống điều khiển tỷ số truyền CVT
Hệ thống bao gồm bộ truyền đai với các puli chủ động và bị động đƣợc chế tạo thành 2 nửa : nửa động và nửa cố định. Các nửa động của puli đƣợc sử dụng làm pitton trong xy lanh thủy lực. Dầu đƣợc cấp vào hệ thống từ các xy lanh theo sự điều khiển của các van phân phối.Van tạo tỷ số truyền có nhiệm vụ điều khiển đƣờng dầu cấp cho xy lanh trong puli chủ động.Van thứ cấp thực hiện chức năng điều khiển đƣờng dầu vào xy lanh của puli bị động.
Tín hiệu điều khiển tác động vào hệ thống thủy lực thông qua một mô tơ bƣớc. Đây là một loại động cơ đặc biệt. Trục của nó có khả năng quay đi những góc xác định tƣơng ứng với tín hiệu điều khiển. Động cơ đƣợc nối với đòn trên của đòn truyền thông qua một cơ cấu trục vít. Khi trục của động cơ quay đi một góc nào đó, cơ cấu dẫn động của nó đẩy đầu trên của đòn truyền sang trái hay kéo sang phải tùy
Hình 2.5. Điều khiển giảm tỷ số truyền
Các van điều khiển đều thuộc loại van phân phối dạng con trƣợt. Van tạo tỷ số truyền đƣợc liên kết tùy thuộc với nửa động của puli chủ động. Với cơ chế liên động này, góc quay của mô tơ bƣớc tỷ lệ thuận với áp suất đƣa vào xy lanh của của puli chủ động.
Ở trạng thái van tạo tỷ số truyền đóng, dầu không đƣợc cấp vào xy lanh của puli chủ động. Van thứ cấp đang mở và cấp dầu vào xy lanh của Puli bị động.
Đối với trƣờng hợp điều khiển giảm tỷ số truyền. Dòng điện điều khiển từ TCM đƣợc cấp vào mô tơ bƣớc làm nó quay đi một góc xác định. Cơ cấu dẫn động
đẩy đầu trên của đòn truyền sang trái, trong khi đó đầu dƣới của nó quay trên khớp bản lề gắn nửa động của puli chủ động.
Chuyển động của đòn truyền kéo con trƣợt của van tạo tỷ số truyền sang trái, mở đƣờng dầu từ hệ thống đi vào xy lanh của puli chủ động. Đồng thời, van thứ cấp đƣợc điều khiển mở đƣờng dầu thông xi lanh của pu li bị động với đƣờng xả.
Nhƣ vậy, áp suất dầu trong xy lanh của puli chủ động tăng lên, đẩy nửa puli động sang phải, ép dây đai đi ra ngoài theo hƣớng kính. Nhờ đó mà bán kính làm việc của pu li chủ động tăng lên. Cùng lúc đó, áp suất trong xy lanh của puli bị động bị giảm, lực căng của dây đai đẩy puli đi sang phải, cho phép dây đai tụt vào phía trong. Nghĩa là bán kính làm việc trên puli bị động giảm xuống.
Trạng thái của các phần tử trong hệ thống trong hệ thống trong quá trình điều khiển giảm tỷ số truyền đƣợc mô tả ở hình 2.7.
Nhƣ vậy, tỷ số truyền của CVT trong trƣờng hợp này đƣợc tính bằng tỷ số giữa bán kính làm việc của puli bị động r2 với bán kính làm việc của puli chủ động r1 : 2 1 r i r
Trạng thái của dây đai trên hình 2.7 cho thấy tỷ số truyền đang giảm do r1 tăng và r2 giảm.
Khi đã đạt đƣợc giá trị tỷ số truyền mong muốn, mô tơ bƣớc dừng lại làm đầu trên của đòn truyền dừng theo. Lúc này, chất lỏng vẫn đƣợc cấp vào xy lanh điều khiển nửa động của puli chủ động, nên nó tiếp tục dịch sang phải. Do đầu trên của đòn truyền đã dừng lại cùng với mô tơ bƣớc, dịch chuyển của đầu dƣới đẩy con trƣợt của van phân phối sang phải cho tới cho tới khi đƣờng dầu cấp vào xi lanh bị đóng lại. Áp suất trong xi lanh của puli chủ động đƣợc giữ không đổi, đƣợc giữ không đổi, tƣơng ứng với tỷ số tryền cần có.
Hình 2.6. Trạng thái quá độ trong quá trình điều khiển giảm tỷ số truyền.
Đồng thời với việc đóng van tạo tỷ số truyền, con trƣợt của van thứ cấp đƣợc điều khiển đi xuống, ngắt đƣờng xả và mở đƣờng cấp dầu từ hệ thống vào xi lanh điều khiển nửa động. Áp suất này đƣợc thiết lập ở mức đủ để tạo lực ép cần thiết từ các nửa puli lên dây đai.
Hình 2.7. Quá trình điều khiển tăng tỷ số truyền
Trên thực tế, quá trình trên xảy ra một cách liên tục. Đầu trên của đòn truyền dịch chuyển theo sự điều khiển của mô tô bƣớc. Đầu dƣới của nó dịch chuyển cùng với nửa động của puli chủ động. Hai dịch chuyển này quyết định vị trí của con trƣợt của van tạo tỷ số truyền. Nghĩa là ứng với mỗi góc quay xác định của mô tơ bƣớc ta có một giá trị áp suất đƣợc hình thành trong xy lanh của puli chủ động. Mối quan hệ này tạo nên tính tùy động của hệ thống điều khiển.
Khi quá trình kết thúc- thời điểm cuối cùng của quá trình tăng tỷ số truyền, các nửa động của các puli và đòn truyền đều ở trạng thái đứng yên.
quay. Chuyển động của mô tơ bƣớc kéo đầu trên của đòn truyền sang phải, đẩy con trƣợt của van tạo tỷ số truyền sang phải, mở đƣờng dầu thông xy lanh của puli chủ động với đƣờng xả. Lúc này, van thứ cấp mở đƣờng dầu cấp vào xy lanh của puli bị động.
Trạng thái của các phần tử trong hệ thống khi bắt đầu điều khiển tăng tỷ số truyền
Áp suất trong xy lanh của puli chủ động giảm xuống, cho phép dây đai tụt vào trong, đẩy nửa động của puli sang trái. Ngƣợc lại, áp suất trong xy lanh của puli bị động tăng lên, ép nửa động của nó sang trái đẩy dây đai trƣợt ra ngoài theo hƣớng kính.
Hình 2.10 thể hiện trạng thái quá độ của quá trình tăng tỷ số truyền. Van tạo tỷ số truyền đang mở thông với đƣờng xả, van thứ cấp thông với đƣờng cấp của hệ thống. Nửa động của pu li chủ động dịch sang trái , dây đai tụt vào trong làm giảm bán kính r1. Nửa động của puli bị động dịch chuyển sang trái, ép dây đai trƣợt ra bên ngoài làm tăng bán kính r2. Nhƣ vậy , tỷ số truyền của bộ truyền đai tăng lên.
Quá trình trên xảy ra liên tục cho tới khi đạt đƣợc tỷ số truyền mong muốn. Tại thời điểm này, mô tơ bƣớc dừng lại. Chuyển động tiếp theo của nửa động puli chủ động sẽ đƣa con trƣợt về vị trí đóng, tƣơng tự nhƣ trƣờng hợp tăng tỷ số truyền đã mô tả ở trên.
Hình 2.8. Trạng thái quá độ của quá trình điều khiển tăng tỷ số truyền
Trạng thái kết thúc quá trình tăng số truyền đƣợc mô tả trên hình 2.10. Lúc này mô tơ bƣớc ngừng quay, van tạo tỷ số truyền dừng ở vị trí đóng cả đƣờng xả và đƣờng cấp vào xy lanh điều khiển puli chủ động. Áp suất trong xy lanh của puli chủ động đƣợc giữ nguyên, tƣơng ứng với tỷ số truyền cần có.
Van thứ cấp tiếp tục mở đƣờng cấp dầu vào xy lanh điều khiển puli bị động để duy trì lực ép cần thiết lên dây đai, nghĩa là duy trì tỷ số truyền đã đƣợc thiết lập.
trình này kết thúc, các nửa đồn của các puli và đòn truyền đều ở trạng thái đứng yên.
Trong các quá trình thay đổi tỷ số truyền nêu trên, các van thủy lực chịu sự điều khiển của TCM dựa trên điều kiện chuyển động cụ thể và quy luật điều khiển đã đƣợc thiết lập nhƣ mô tả trên đây.
Hình 2.9. Trạng thái kết thúc quá trình điều khiển tăng tỷ số truyền
2.2.4. Hệ thống điện tử.
Hệ thống điều khiển điện tử CVT gồm các cảm biến , TCM đƣa ra quyết định điều khiển:
- Tạo tỷ số truyền tƣơng ứng với điều kiện chuyển động - Tạo ra áp suất cho các đƣờng dầu trong hệ thống thủy lực
- Chọn chế vận hành theo vị trí của cần số ( N, P, D, R) - Điều khiển đƣờng dầu cấp cho biến mô thủy lực - Điều khiển động cơ
- Chẩn đoán trạng thái kỹ thuật
Hình 2.10. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển cơ điện tử CVT
Sơ đồ nguyên lí của bộ điều khiển điện tử đƣợc mô tả trên hình. Bộ điều khiển điện tử TCM lấy thông tin từ các cảm biến để điều khiển CVT. Đồng thời TCM cũng tiếp nhận thông tin phản hồi từ các cảm biến trên CVT để điều chỉnh các thông số theo đúng yêu cầu của điều kiện vận hành cụ thể. Chiều cung cấp thông tin và truyền tín hiệu đƣợc thể hiện bằng các mũi tên trên hình vẽ.
TCM có liên kết thông qua mạng CAN với các hệ thống điều khiển khác trên ô tô nhƣ hệ thống đảm bảo an toàn ETACS ( Electronic Time and Alarm Control System), hệ thống điều khiển động cơ ECM( Engine Control Module) và hệ thống
CHƢƠNG 3 : TÍNH TOÁN TIÊU HAO NHIÊN LIỆU
3.1. Phương pháp tính toán
3.1.1 Đặc tính động cơ
Để có thể tính toán mức tiêu hao nhiên liệu của xe ô tô sử dụng hệ thống truyển lực tự động kiểu CVT, các số tính toán ta lấy theo xe tham khảo là Toyota Camry với động cơ dùng nhiên liệu xăng, kí hiệu động cơ 2AZ FE cùng thông số của nhà thiết kế đã cho nhƣ sau:
- Khối lƣợng của xe ma=1515kg. - Hệ số cản không khí Cx=0,32
-Diện tích cản chính diện A= 1,94 m2.
- Mô menn 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.
Các tính toán đƣợc thực hiện cho trƣờng hợp ô tô chuyển động trên đƣờng bằng phẳng, chất lƣợng mặt đƣờng 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 2 AZ FE 1510 0,32 1,94 189Nm 111 KW 0,3 m 0,02 4750v/p 5930v/p
Bảng 3.1. Thông số xe tham khảo
Ứng với các thông số tính toán của xe ta có đồ thị mô tả đặc tính của động cơ với hệ thống truyền lực CVT. Nhƣ nội dung ta đã tìm hiểu trong phần đặt vấn đề ở chƣơng I phần 1.3, hệ thống truyền lực vô cấp có tỷ số truyền thay đổi liên tục, nó cho phép lựa chọn điểm làm việc của động cơ theo đúng yêu cầu của đặc tính lý tƣởng. Do đó tỷ số truyền thay đổi liên tục từ iTmin đến iTmax mô men cán từ bánh xe
quy về động cơ không còn là các đƣờng nhƣ đối với HTTL cơ khí nữa mà là một vùng nhƣ thể hiện trên hình. Trên đồ thị đặc tính điểm làm việc của động cơ ở một chế độ chuyển động bất kỳ chính là giao điểm của đƣờng mô men tƣơng ứng với công suất yêu cầu với đƣờng mô men cản quy dẫn. Nhƣ vậy, vùng làm việc của động cơ với HTTL vô cấp bị giới hạn bởi các đƣờng mô men cản quy dẫn ở các tỷ số truyền nhỏ nhất và lớn nhất là hai đƣờng iTmin và iTmax nhƣ thể hiện ở hình 3.1.
Hình 3.1 Đặc tính của động cơ với hệ thống truyền lực vô cấp CVT
Đƣờng số 1 mô tả trên hình là đƣờng đặc tính với thiết kế ƣu tiên tiết kiệm nhiên liệu. Khi động cơ làm việc tại các điểm nằm trên đƣờng số 1 này , lƣợng tiêu hao nhiên liêu khi động cơ làm việc đƣợc ƣu tiên là thấp nhất.
Đƣờng số 2 trên hình vẽ là tập hợp các điểm làm việc có lực kéo dƣ nhất, động cơ khi làm việc tại các điểm trên đƣợc ƣu tiên phát huy tối đa lực kéo đƣợc
Vì không thể đáp ứng đƣợc cả hai tiêu chí vừa phát huy lực kéo tối đa tại các bánh xe vừa có thể tiết kiệm nhiên liệu tối thiểu nên trên khi thiết kế ngƣời ta có thể lựa chọn tùy theo mục đích sử dụng và điều kiện vận hành của ô tô, đƣờng số 3 trên hình là phƣơng án dung hòa giữa hai đƣờng số 1 và số 2.
3.1.2 Các công thức tính toán
Mức tiêu thụ nhiên liệu là thông số quan trọng phản ánh hiệu quả hoạt động của ô tô, thƣờng đánh giá thông qua lƣợng nhiên liệu tiêu thụ cho 100 km đƣờng xe chạy Ge (lít/100km). Lƣợng nhiên liệu tiêu thụ cho 100km đƣờng xe chạy đƣợc tính dựa vào đồ thị đặc tính của động cơ với các đƣờng đẳng suất nhiên liệu ge. Tốc độ làm việc của động cơ ne đƣợc tính theo vận tốc chuyển động của ô tô:
. 30 . t e k n V i r (3.1)
Mức tải của động cơ là Me đƣợc xác định từ lực kéo tại bánh xe chủ động :
. 1 . k k e t P r M i (3.2)
Mức công suất của động cơ đƣợc tính nhƣ sau : 3 . . 1 . . . 0 . 1 . e e e k e k n n T T g N g P N P V i V (3.3 )
Lƣợng tiêu hao nhiên liệu tiêu thụ cho 100km đƣờng xe chạy Ge đƣợc tính theo công thức : . . e e e n g N V G (3.4)
Đối với hệ thống truyền lực vô cấp, điểm làm việc của động cơ có thể đƣợc lựa chọn theo một kịch bản định sẵn theo thiết kế. Công suất yêu cầu theo điều kiện chuyển động là thông số đầu vào để lựa chọn điểm làm việc. Ứng với một mức công suất nhất định, có một đƣờng hyperbol trên đồ thị H1.16 và mọi điểm trên đƣờng cong này nằm trong vùng làm việc đều có thể đáp ứng yêu cầu chuyển động.