a. Các giả thiết
Các mô hình vật lý đơn giản chỉ kể đến các tương tác cơ học giữa xe với môi trường thường sử dụng trong khảo sát động lực học ô tô là:
- Mô hình không gian. - Mô hình phẳng.
Trong phạm vi của đồ án chỉ xây dựng mô hình toán học cho việc nghiên cứu mô hình phẳng của xe trong chuyển động thẳng, với các giả thiết sau:
- Bài toán được giải ở dạng mô hình phẳng, khảo sát chuyển động của thân xe như một chất điểm có khối lượng đặt tại trọng tâm xe.
- Biến dạng của đường và của lốp được kể đến khi xác định lực cản lăn, lực kéo. Trên sơ đồ không mô tả sự biến dạng này.
- Bánh xe luôn luôn bám đường, lốp xe là mô hình phẳng đàn hồi.
- Xe chuyển động trên mặt phẳng nằm ngang không có mấp mô, không khảo sát chuyển động theo phương thẳng đứng.
- Bỏ qua ảnh hưởng của lực gió ngang, lực cản moóc kéo.
- Bỏ qua ảnh hưởng của hệ thống treo trong quá trình khảo sát, coi như các bánh xe được ghép trực tiếp vào thân xe.
- Không khảo sát các chuyển động dao động của xe.
- Phản lực của đường tác dụng lên thân xe qua trục bánh xe, bánh xe luôn nằm trong mặt phẳng song song với mặt phẳng đối xứng dọc xe.
- Xe không kéo moóc và chuyển động trên đường bằng.
- Mô hình khi thiết lập ở dạng mô hình phẳng, coi kết cấu là đối xứng qua mặt phẳng dọc giữa xe.
b. Sơ đồ mô hình phẳng động lực học chuyển động thẳng của ô tô
Bằng việc đưa ra các giả thiết tương ứng, ta thành lập mô hình phẳng động lực học chuyển động thẳng của ô tô có sơ đồ ngoại lực và mô men ngoại lực tác dụng lên ô tô như hình 3.2 .
a b c Z v C Pw Pj Pi=G.sin a G.cosa L R1 R2 X Pf hw hg Mf1 w1 w2 Pk PmkPmk z Pmkx g hmk Mf2 O a G
Hình 3.2: Sơ đồ mô hình phẳng khảo sát chuyển động thẳng của ô tô
Trong đó : G - Trọng lượng ô tô. Pmk - Lực cản kéo moóc. Pw - Lực cản không khí. Pi - Lực cản lên dốc. Pf - Lực cản lăn.
Mf1, Mf2- Mô men cản lăn. Pj - Lực quán tính.
R1, R2 - Phản lực pháp tuyến của đường.
Pk - Lực kéo tiếp tuyến (phản lực tiếp tuyến của đường ).
Sơ đồ khảo sát đặt trong hệ trục toạ độ XOZ, trục OX song song với mặt đường, trục OZ vuông góc với mặt đường và đi qua trọng tâm của xe. Trong đó xem ô tô là một hình phẳng có khối lượng và chịu các lực tác dụng tại từng thời điểm. Từ đó xây dựng được phương trình động lực học chuyển động thẳng của ô
58
tô, thiết lập được mối quan hệ giữa các nội lực và ngoại lực tác dụng lên ô tô, xác định được giá trị của các lực chưa biết khi cho trước những số liệu cần thiết.
3.2.2. Thành lập phƣơng trình cân bằng lực kéo
Chiếu các lực lên trục OX ta được phương trình cân bằng lực kéo :
Pk = Pf Pi Pj + Pw + Pmkx (3.1) Như vậy ở đây, tính toán động lực học của ô tô trong trường hợp chuyển động thẳng thực chất là bài toán giải phương trình cân bằng lực kéo trong điều kiện đường cụ thể, với một xe cụ thể, để xác định được lực kéo của xe trong những điều kiện chuyển động đó. Phương pháp xác định lực kéo theo động cơ ở từng tay số hiện nay thường hay áp dụng là sử dụng đường đặc tính ngoài của động cơ làm cơ sở cho quá trình tính toán. Từ đó ta thu được đặc tính kéo và đặc tính động lực học của ô tô ở từng tay số, thông qua đó xác định các tính năng tăng tốc của xe.
Việc xác định các đặc tính tăng tốc (đồ thị thời gian tăng tốc và quãng đường tăng tốc) của xe không giải được bằng phương pháp giải tích vì không tìm được quan hệ giải tích chính xác giữa gia tốc j với vận tốc v cũng như giữa vận tốc v và thời gian tăng tốc t.
Tuy nhiên ta có thể giải bằng phương pháp đồ thị trên cơ sở đồ thị gia tốc ngược xây dựng từ đặc tính động lực học theo công thức biểu diễn mối quan hệ giữa nhân tố động lực học với các thông số đặc trưng cho lực cản chuyển động của ô tô.
Thông qua đặc tính kéo của xe ta xác định được những thông số cơ bản của động cơ và hệ thống truyền lực đảm bảo cho xe có thể chuyển động với vận tốc lớn nhất trên đường tốt và có thể chuyển động trên các loại đường có hệ số cản lớn. Với phương pháp tính này, có hai dạng tính toán sức kéo của xe đó là : tính toán kéo thiết kế và tính toán kéo kiểm nghiệm.
3.2.3. Khối động cơ
3.2.3.1. Mô hình toán học khối động cơ
Trong phạm vi của đồ án tốt nghiệp, khối động cơ được xây dựng dựa trên cơ sở khối Diesel Engine trong thư viện có sẵn của mô đun SimDriveline. Với đường đặc tính mô men và công suất của động cơ được xây dựng bằng cách sử dụng công thức thực nghiệm Lây đéc man cho động cơ diesel có bộ hạn chế tốc độ tối đa.
Theo [4], ta có công thức thực nghiệm của S.R.Lây đéc man:
2 3 . . e . e . e e e N N N n n n N N a b c n n n (3.2) 2 ax. . e . e N N e em n n M c n n N a b (3.3) Trong đó:
Ne, Me- Công suất hữu ích, và mô men hữu ích của động cơ.
ne- số vòng quay của trục khủy ứng với một điểm bất kỳ của đường đặc tính ngoài.
Nemax,nN- Công suất cực đại và số vòng quay ứng với công suất đó. Memax- Mô men xoắn cực đại của động cơ.
a, b, c- Hệ số thực nghiệm được xác định bằng phương pháp hai điểm như sau:
Lấy đạo hàm Me theo ne ta có: Me 0
ne
d d
Tương ứng với giá trị . 2 N eM n n b c
, thay giá trị này vào 3.3 ta có:
2 max . 4 e N b M M a c (3.4)
Khi ne = nN thì Ne = NN, theo công thức Lây đéc man ta có: 1
60
Động cơ không có hạn chế số vòng quay thì ở số vòng quay nN ta có: 0 Ne ne d d tương tự ta có: a2b3c0 (3.6) Từ (3.4), (3.5), (3.6) ta có công thức tính a, b, c như sau:
2 .(2 ) 1 . 100 1 d N N N M k k a k 2 2. . 100 1 d N N M k b k 2 2 . 100 1 d N N M k c k
Trong đó: Md = (kM -1).100 là mô men xoắn dự trữ của động cơ. kM = emax
eN
M
M - Hệ số thích ứng của động cơ theo mô men.
kN = eN eM
n
n - Hệ số thích ứng cửa động cơ theo số vòng quay.
3.2.3.2. Xây dựng mô hình khối động cơ
Khối động cơ mô phỏng động cơ lắp trên xe được điều khiển chủ yếu bằng thay đổi hành trình thanh răng bơm cao áp, qua đó thay đổi các thông số đầu ra là giá trị mô men và tốc độ vòng quay của động cơ. Khi xe làm việc thực tế động cơ thường chỉ làm việc theo các đường đặc tính cục bộ. Đặc tính cục bộ của động cơ thường được xác định bằng thực nghiệm bằng cách đo trên bệ thử, số liệu đo được lưu trữ dưới dạng đồ thị hoặc số hóa.
Hình 3.4: Sơ đồ khối mô men động cơ và bảng thông số đầu vào
Tuy nhiên trong phạm vi đồ án tốt nghiệp chưa thể xây dựng mô hình khối động cơ bao gồm cả các đường đặc tính cục bộ, mà chỉ xác định các giá trị mô men theo đường đặc tính ngoài của động cơ, như thuật toán vừa trình bày ở
62
trên. Mô hình động cơ có trung tâm là khối mô men động cơ và bảng thông số đầu vào như trong hình 3.4.
Thông số đầu vào gồm công suất lớn nhất (Maximum power), số vòng quay động cơ ứng với công suất lớn nhất (Speed at maximum power), số vòng quay lớn nhất của động cơ (Maximum speed).
Khối Look up 2D được nhập vào bảng tập hợp các giá trị số vòng quay tương ứng mô men xoắn và công suất của động cơ dựa trên cơ sở đường đặc tính ngoài của động cơ. Tín hiệu đầu vào điểu khiển của khối động cơ là tín hiệu phần trăm góc mở bướm ga và tốc độ thực tế của xe được đưa trở lại để so sánh và và tìm được giá trị mô men tương với chế độ hoạt động ở bước tiếp theo.
Khối Compare To Constain và cổng Switch có vai trò như bộ điều tốc của động cơ diesel. Khối Compare To Constain sẽ so sánh vận tốc góc lớn nhất của động cơ được nhập vào với tín hiệu vận tốc góc động cơ được lấy ra từ cảm biến Motion Sensor, nếu lớn hơn vận tốc góc lớn nhất của động cơ tín hiệu này sẽ được chuyển tới cổng Swich.
Cổng Swich sẽ dựa vào tín hiệu điều khiển là tốc độ góc trục khuỷu động cơ, cho phép tín hiệu từ cổng trên hoặc cổng dưới qua. Tín hiệu điều khiển sẽ so sánh với điều kiện đã thiết lập trong Swich và cho cổng tín hiệu với giá trị 0 đi qua thì sẽ ngắt dòng lực từ động cơ tới hệ thống truyền lực, vận tốc của xe sẽ giảm đột ngột và lại được đưa trở lại khối động cơ làm tín hiệu phản hồi.
Khối Toquer Actuator sẽ biến đổi tín hiệu vật lý thành mô men ra của
động cơ và kích hoạt hệ thống truyền lực.
Tín hiệu điều khiển đầu vào của khối động cơ là tín hiệu giá trị góc mở bướm ga, tín hiệu đầu ra là mô men trục khuỷu động cơ Mo men và tốc độ động cơ Toc do_DC. Ngoài ra trong sơ đồ khối động cơ còn có các khối nhập mô men quán tính của động cơ mqt_DC, khối thiết lập điều kiện ban đầu của trục khuỷu động cơ IC-Initial Condition, khối thiết lập môi trường mô phỏng cho toàn bộ
Hình 3.5: Sơ đồ tổng quát khối động cơ
3.2.4. Khối ly hợp
3.2.4.1. Mô hình toán học 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. Các trạng thái cơ bản của ly hợp ta có thể phân ra thành ba trạng thái như sau:
- Ly hợp đóng: Vận tốc góc phần chủ động và phần bị động bằng nhau, toàn bộ mô men từ động cơ được truyền tới phần bị động của ly hợp, mô men phần chủ động ly hợp bằng mô men của phần bị động. Ly hợp không xuất hiện trượt và mô men của phần chủ động của ly hợp nhỏ hơn hoặc bằng mô men ma sát của ly hợp.
- Ly hợp bị trượt: Vận tốc góc phần chủ động và bị động của ly hợp không bằng nhau, mô men từ động cơ vẫn được truyền tới phần bị động của ly hợp nhưng bị mất mát bởi quá trình trượt. Ở trạng thái này mô men của phần chủ động của ly hợp lớn hơn mô men ma sát (ma sát tĩnh), ly hợp rơi vào trạng thái trượt. Lúc này mô men ma sát lại trở thành mô men ma sát động và nó có chiều hướng chống lại sự trượt này. Mô men của phần bị động nhận giá trị bằng mô men ma sát động và nó tạo thành mô men cản đối với phần chủ động của ly hợp.
64
- Ly hợp mở: Vận tốc phần chủ động và bị động khác nhau, không có sự truyền mô men từ động cơ tới phần bị động của ly hợp. Trạng thái này khi không có sự tiếp xúc giữa các bề mặt ma sát của ly hợp, phần chủ động và phần bị động tách rời hoàn toàn nhau.
Theo [9], ta xây dựng mô hình toán học khối ly hợp như trên hình 3.6:
Hình 3.6: Mô hình vật lý mô tả khối ly hợp
Trong đó:
Tin- Mô men phần chủ động ly hợp. Fn- Lực ép đĩa ma sát.
Ie, Iv- Mô men quán tính phần chủ động và bị động ly hợp. be, bv- Hệ số cản của phần chủ động và bị động của ly hợp. r1, r2- Bán kính vành trong và ngoài của đĩa ma sát.
- Vận tốc góc phần chủ động và bị động của ly hợp. R- Bán kính tác dụng hiệu quả.
Td- Mô men truyền qua ly hợp.
Ti- Mô men ma sát nhỏ nhất cần thiết xác lập trạng thái khóa ly hợp. Phương trình trạng thái của ly hợp được thể hiện của đẳng thức sau:
. . e e in e e d I w T b w T (3.7) . . v v d v v d I w T b w T (3.8)
Khả năng truyền mô men xoắn của ly hợp phụ thuộc vào kích thước đĩa ma sát, hệ số ma sát và lực ép của lò xo ly hợp. Mô men ma sát của ly hợp được xác định như sau: (max) 2. . . 3 f n T R F (3.9) - Hệ số ma sát. (max) f T -Mô men ma sát ly hợp. 3 3 2 1 2 2 2 1 r r R r r (3.10)
Khi ly hợp bắt đầu trượt thì xuất hiện mô men ma sát động và nó có chiều hướng chống lại sự trượt và tạo thành mô men cản cho phần chủ động của ly hợp: max 2 sgn( ) . . . 3 d e v f k n k T w w T R F (3.11) k - Hệ số ma sát động. max f k T - Mô men ma sát động lớn nhất. Khi ly hợp khóa ta có: we wv w (3.12) Ie Iv.wTinbvbe.w (3.13) Mô men truyền qua ly hợp lúc này sẽ là Td = Tf , ly hợp vẫn khóa cho cho đến khi mô men phần chủ động của ly hợp lớn hơn giới hạn mô men ma sát tĩnh của ly hợp.
max 2. . . 3
f s n s
T R F (3.14) - Hệ số ma sát tĩnh của ly hợp và mô men ma sát tĩnh lớn nhất.
66
Hình 3.7: Sơ đồ trạng thái ly hợp
Trên sơ đồ 3.7 đã thể hiện các phương trình trạng thái của ly hợp ở trạng thái trượt và khóa và điều kiện để ly hợp chuyển từ trạng thái trượt sang trạng thái khóa và ngược lại.
3.2.4.2. Xây dựng mô hình khối ly hợp
Ta sử dụng khối Controllable Friction Clutch trong thư viện của mô đun SimDriveline. Hộp thoại giao diện nhập dữ liệu cho khối ly hợp gồm với các lựa chọn thuộc tính ly hợp tác dụng hai chiều Bidirection, các thông số nhập vào
gồm các thông số như đĩa ma sát Number of friction surface, 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,…Khối ly hợp Controllable Friction Clutch trong thư viện SimDriveline gồm hai khối cơ bản như hình 3.8.
Tín hiệu điều khiển của khối ly hợp là P tương ứng với lực ép đĩa ma sát được áp dụng, mô men từ phần chủ động ly hợp đưa vào qua cổng SimDriveline B và mô men ra qua phần bị động của ly hợp là F.
Tín hiệu đầu ra là mô men phần bị động của ly hợp qua cổng F và lại là
tín hiệu đầu vào của khối hộp số.
Theo như thuật toán xây dựng khối ly hợp trình bày ở trên ta sẽ kết nối thêm khối mô men quán tính Inertia vào phần chủ động và bị động của ly hợp.
Hình 3.8: Khối ly hợp Controllable Friction Clutch
Khối friction_map sẽ tính toán ra các giá trị ma sát động và ma sát tĩnh từ