2. Mục đích, nội dung và phạm vi nghiên cứu của đề tài
1.5 Kết luận chươn g1
- Phân tích tổng quan về hệ thống truyền lực,
- Phân tích cấu tạo và nguyên lý hoạt động, đánh giá ưu nhược điểm của các hộp số trên ô tô, đặc biệt là hộp số cơ khí với ly hợp kép DCT mà tác giả đi sâu nghiên cứu trong luận văn này.
- Phân tích quá trình ra đời của hệ thống truyền lực ly hợp kép với những khó khăn, sự phát triển và thành tựu đạt được của các hãng xe sử dụng loại ly hợp kép.
- Phân tích được các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước có liên quan, từ đó đưa ra điểm mới trong luận văn này.
Các kết quả trong chương này là cơ sở lý thuyết cho vấn đề nghiên cứu trong chương tiếp theo.
Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Cấu tạo của hệ thống truyền lực cơ khí với ly hợp kép
2.1.1 Cấu tạo và hoạt động
Sự khác biệt đầu tiên của hộp số DCT so với các loại hộp số khác đó là có sử dụng bộ đôi ly hợp ma sát ướt. Hai ly hợp được lồng vào nhau, một ly hợp nằm trong và một ly hợp nằm phía ngoài. Bộ đôi ly hợp ở đây thuộc loại ly hợp ma sát ướt, nghĩa là các đĩa ma sát được ngâm trong dầu và sự tách, nối của nó được điều khiển bằng cơ cấu chấp hành: thủy lực - điện từ. Hai ly hợp này hoạt động hoàn toàn độc lập với nhau.
1: Bánh răng xoắn ăn khớp với bộ vi sai; 2: bánh răng thuộc bộ vi sai; 3: trục sơ cấp số1; 4: trục khuỷu động cơ; 5: trục sơ cấp số 2; 6: Ly hợp 2; 7: Ly hợp 1; 8: bánh răng xoắn ăn khớp với bộ vi sai; 9: bánh răng ăn khớp với bộ đồng tốc;BR: Cặp bánh răng số
Hình 2.1 Sơ đồ hộp số DCT
Sự khác biệt thứ hai của DCT đó chính là hệ thống trục sơ cấp gồm hai trục đồng trục lồng nhau. Trục thứ nhất (màu đỏ): một đầu (bên trái) liên kết với ly hợp thứ nhất (màu đỏ) bằng then hoa, trên thân trục bao gồm 3 bánh răng có kích
3, 5. Trục còn lại (màu xanh) được chế tạo rỗng để bao bọc gọn hệ thống trục thứ nhất, một đầu lắp với ly hợp thứ hai (màu xanh), trên thân trục gồm 2 bánh răng trên trục thứ cấp thứ hai tạo ra 3 cấp số 2, 4, 6 và thêm một số lùi.
Hình 2.2 Hoạt động của một hộp số ly hợp kép khi sang số
Nguyên lý hoạt động: Hộp số DCT có thể chuyển số nhanh chóng và êm dịu. Khi chuyển số, hệ thống điều khiển mở ly hợp ứng với số truyền hiện tại đồng thời đóng ly hợp ứng với số truyền được chọn tiếp theo. Giả sử nếu xe đang chạy với số 2, ly hợp của số chẵn số đóng, mô men của động cơ được truyền tới bánh chủ động (hình 2.2a) trong khi vận tốc của xe tăng lên, máy tính sẽ xác định thời điểm chuyển số tiếp theo (số 3), số 3 sẽ được lựa chọn trước, ô tô vẫn chuyển động ở số 2 (hình 2.2b), ly hợp tương ứng với tay số 3 vẫn mở vào thời điểm quyết
định chuyển số, ly hợp của số 2 sẽ mở và đồng thời ly hợp số 3 sẽ đóng. Mô men của động cơ truyền đến bánh chủ động là tổng mô men truyền qua 2 ly hợp, 2 ly hợp này ở trạng thái trượt (hình 2.2c) đến khi ly hợp của số 2 được mở hoàn toàn, mô men của động cơ được truyền đến bánh chủ động bằng ly hợp của số 3 (hình 2.2d). Thời gian chuyển số là khoảng 0.8s.
Hộp số DCT được sử dụng theo cách hoàn toàn tự động, tuy nhiên cũng có thể điều khiển theo cách bán tự động. Cách điều khiển này cho phép người lái xe chọn tay số và quyết định thời điểm chuyển số nhờ vào nút bấm. Việc gài số và đóng mở ly hợp được máy tính kiểm soát và ra lệnh cho bộ phận chấp hành điện hoặc thuỷ lực thực hiện. Hộp số DCT cho phép giảm thời gian sang số, bởi vì các bánh răng cho số được chọn tiếp theo được cài sẵn khi đang chuyển động ở tay số hiện thời. Nhược điểm của hộp số DCT là không thể chuyển trực tiếp giữa hai tay số cùng một ly hợp quản lý mà phải chuyển tiếp qua số trung gian.
DCT kết hợp những ưu điểm của hộp số tự động (chuyển số êm dịu, và nhanh chóng) với hiệu suất truyền lực và tính kinh tế nhiên liệu của hộp số cơ khí. DCT mang lại tính tiện nghi điều khiển của một hộp số tự động, đồng thời kết cấu tiên tiến của nó thì đem đến tính động lực học cao, loại bỏ sự ngắt quãng khi chuyển số của hộp số cơ khí.
1. Trục khuỷu; 2. Bánh đà; 3. Đĩa trung tâm; 4. ổ bi đỡ; 5. Đĩa ép ly hợp 1; 6. Đĩa ma sát ly hợp 1; 7. Đĩa ép ly hợp 2; 8. Đĩa ma sát ly hợp 2; 9. Ổ bi mở ly hợp số 1; 10; Ổ bi mở ly hợp số 2; 11. Vòng giữ; 12. Trục sơ cấp số 1 hộp số ( trục đặc); 13. Trục sơ cấp ly hợp số 2 ( trục rỗng); 14. Lò xo ép ly hợp 1; 15. Lò xo ép ly hợp số 2 Cụm ly hợp kép Bộ phận chính của hộp số ly hợp kép đó chính là cụm ly hợp kép. Ngoài ly hợp kép kiểu ma sát ướt trình bày trên hình 2.1 còn sử dụng ly hợp kép kiểu ma sát khô như trên hình 2.3. Do ly hợp ma sát ướt có cơ chế làm mát nên có khả năng truyền mô men lớn hơn ly hợp ma sát khô. Vì vậy, người ta thường sử dụng ly hợp ma sát khô cho các ô tô loại nhỏ, còn các ô tô lớn phải sử dụng ly hợp ma sát ướt.
Hình 2.4 Cơ cấu điều khiển đóng ngắt ly hợp
Để điều khiển đóng ngắt ly hợp trên hình 2.3, người ta sử dụng hai càng mở 2 và 5 (hình 2.4) được điều khiển bởi hai động cơ servo độc lập. Trên hình 2.5 trình bày trạng thái làm việc của hai ly hợp.
a) Ly hợp số lẻ b) Ly hợp số chẵn
Hình 2.5 Trạng thái làm việc của các ly hợp
Khi làm việc ở các số lẻ 1, 3 hoặc 5, mô tơ servo của ly hợp số 1 kích hoạt bằng điện. Lúc này đòn mở lớn và ổ bị mở được điều khiển chuyển động về phía trước. Lò so ép bên ngoài truyền chuyển động này tới vòng giữ làm cho hướng chuyển động ngược với chiều tác dụng của lực. Do đó, đĩa ép của ly hợp 1 được kéo về phía đĩa ép trung gian để đóng ly hợp. Đĩa ma sát truyền mô men từ động cơ đến trục đặc.
Trong trường hợp một trong các số chẵn 2, 4, 6 hoặc số lùi được sử dụng thì mô tơ servo điều khiển ly hợp số 2 được kích hoạt. Lò so ép số 2 được tác động thông qua ổ bi mở làm cho đĩa ép của ly hợp số 2 chuyển động về phía đĩa ép trung gian và truyền chuyển động cho đĩa ma sát. Mô men của động cơ được truyền tới trục rỗng đồng thời ly hợp số 1 được mở ra.
Khối điều khiển
Dựa vào thông tin từ các cảm biến: cảm biến vị trí số, cảm biến tốc độ xe, cảm biến vị trí bướm ga, cảm biến tốc độ động cơ… đưa về, máy tính sẽ ra lệnh điều khiển thông qua cơ cấu chấp hành.
Cơ cấu chấp hành
Trong DCT van điều khiển điện từ đóng vai trò là cơ cấu chấp hành, thực hiện việc đóng mở các đường dầu. Van điều khiển từ bao gồm lõi thép từ, cuộn dây.
2.1.2 Điều khiển hệ thống truyền lực với ly hợp kép Nguyên tắc của việc điều khiển chuyển số Nguyên tắc của việc điều khiển chuyển số
Về cơ bản việc chuyển cấp số trên ô tô trong quá trình hoạt động là tự động hoặc không tự động đều tuân theo nguyên tắc lực kéo của ô tô phải đảm bảo lớn hơn lực cản chuyển động để đảm bảo ô tô có thể hoạt động được trong các điều kiện khai thác khác nhau. Với hộp số có cấp điều khiển sang số tự động, việc lựa chọn thời điểm chuyến số cần phải tính toán sao cho phù hợp với điều kiện khai thác cụ thể. Thời điểm chuyển số sẽ phụ thuộc vào các thông số đầu vào sau đây: vị trí của bướm ga, tốc độ của động cơ, tốc độ trục thứ cấp của hộp số (tốc độ của ô tô), vị trí của cấp số truyền hiện tại và chế độ đi số hiện tại.
Điều khiển thời điểm chuyển số
Việc thay đổi cấp số truyền của hộp số kết hợp với ly hợp kép (DCT) do bộ điều khiển ECT đảm nhận với các thông số đầu vào là tín hiệu của bàn đạp ga, tốc độ chuyển động của ô tô (tốc độ trục thứ cấp của hộp số), vị trí của cần số, vị trí số truyền hiện tại,…Việc điều khiển dựa trên nguyên tắc ô tô có thể chuyển động một cách hợp lý ở các chế độ khác nhau phụ thuộc điều kiện khai thác hay mong muốn của người lái.
Dựa vào nguyên tắc đã nêu ở trên, ECT sẽ tính toán và điều khiển việc đóng hay mở ly hợp 1 hoặc ly hợp 2 đồng thời chọn tay số tiếp theo dựa trên điều kiện khai thác cụ thể.
Hình 2.6 Sơ đồ điều khiển thời điểm chuyển số
Sơ đồ chuyển số: ECT được lập trình để lựa chọn sơ đồ chuyển số theo chế độ lái xe và vị trí cần số.
Bảng 2. 1 Sơ đồ chuyển số theo chế độ lái xe và vị trí cần số
Sơ đồ chuyển số ở chế độ bình thường
Tương ứng với chế độ lái xe trong thành phố, ngoại ô hay đường cao tốc. Phù hợpvới tiêu hao nhiên liệu thấp và tính năng tăng tốc tốt.
hình 2.7. Để đảm bảo cho ô tô hoạt động bình thường , việc chuyển từ số 1 lên số 2 xảy ra khi tốc độ trục thứ cấp hộp số là 1.500 v/p, từ số 2 lên số 3 xảy ra tại 2.500 v/p và từ số 3 lên số truyền tăng xảy ra tại 4000 v/p.
Hình 2.7 Sơ đồ chuyển số ở chế độ thường Sơ đồ chuyển số ở chế độ tải nặng
Cũng tương tự như đã phân tích ở trên, khi ô tô hoạt động ở chế độ tải nặng, việc sang số của ô tô cũng thay đổi, khi đó tốc độ động cơ khi chuyển số lên và xuống cao hơn so với khi ở chế độ bình thường.
Ví dụ: Như sơ đồ sau khi bướm ga mở 50%, việc chuyển từ số 1 lên số 2 xảy ra khi tốc độ trục thứ cấp hộp số là 1.800 v/p, từ số 2 lên số 3 xảy ra tại 3.100 v/p và từ số 3 lên số truyền tăng xảy ra tại 4500 v/p.
Hình 2.8 Sơ đồ chuyển số ở chế độ tải nặng
Chế độ khi tay số ở vị trí R hoặc N
Khi tay số ở vị trí R, Hộp số sẽ được điều khiển để hoạt động ở tay số có tỷ số truyền cao nhất giống như các hộp số cơ khí có cấp thông thường.Còn tại vị trí N thì các ly hợp sẽ không làm việc và động cơ không truyền mômen đến hộp số đồng thời cơ cấu gài số trong hộp số cũng ở vị trí trung gian.
2.2. Mô phỏng ô tô trang bị hệ thống truyền lực kiểu ly hợp kép
2.2.1. Phương pháp mô phỏng
Thông thường, để nghiên cứu quá trình động học và động lực học của một hệ thống bất kỳ có thể thực hiện bằng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm hoặc phương pháp mô phỏng []. Ngày nay, do sự phát triển của công cụ và các phần mềm mô phỏng chuyên dụng, việc nghiên cứu các hệ thống thông qua mô phỏng càng được sử dụng phổ biến do những ưu điểm nổi bật như: tiết kiệm chi phí nghiên cứu, kết quả nghiên cứu thu được nhanh chóng, trực quan…Cũng như các hệ thống kỹ thuật khác, việc nghiên cứu mô phỏng xác định các thông số động học động lực học của ô tô sẽ làm cơ sở lý thuyết ban đầu cho việc thiết kế tính toán và hoàn thiện kết cấu của ô tô nói chung.
- Phương pháp 1:Mô phỏng thông qua thiết lập hệ phương trình vi phân liên kết giữa các vật trong hệ;
- Phương pháp 2: Mô phỏng thông qua mô tả các vật và liên kết.
Đối với phương pháp thứ nhất, việc mô phỏng được thực hiện theo 5 bước. Đầu tiên, trên cơ sở hệ thống thực cần nghiên cứu xây dựng mô hình tính toán trên cơ sở đơn giản hóa hệ thống bằng các giả thiết phù hợp với mục đích và yêu cầu nghiên cứu. Bước tiếp theo, dựa trên mô hình tính toán sẽ xây dựng mô hình toán học mô tả hoạt động của hệ thống. Với các hệ thống đơn giản, việc giải các mô hình toán học không quá khó khăn và tốn nhiều thời gian. Tuy nhiên, trên thực tế mô hình toán học mô tả hoạt động của các hệ thống kỹ thuật thường rất phức tạp do vậy, người ta thường phải sử dụng các phần mềm hỗ trợ tính toán như Matlab, Maple, Mathcad... Bước cuối cùng đó là phân tích đánh giá kết quả thu được[10].
a) b)
Hình 2.9 Sơ đồ các phương pháp mô phỏng
a. Mô phỏng thông qua xây dựng hệ phương trình vi phân b. Mô phỏng thông qua mô tả vật và liên kết
2.2.1.1 Phương pháp mô phỏng thông qua thiết lập hệ phương trình vi phân liên kết giữa các vật trong hệ liên kết giữa các vật trong hệ
Đây là cách thức truyền thống đã được sử dụng trong nhiều năm qua, khi mô phỏng theo phương pháp này trước tiên ta phải phân tích mô hình thành cơ hệ nhiều vật và xây dựng các hệ phương trình vi phân cân bằng cho từng vật. Phương pháp này tuy mất nhiều thời gian hơn nhưng lại giúp chúng ta kiểm soát mô hình một cách cụ thể rõ ràng hơn. Trình tự của phương pháp này thực hiện như sau:
+Xây dựng mô hình tính toán: Để xây dựng được mô hình tính toán trước tiên cần xây dựng mô hình cơ học từ hệ thống thực, xây dựng mô hình động lực học và đơn giản hóa mô hình này để nhận được mô hình tính toán.
+ Xây dựng mô hình toán học: Mô hình toán học là hệ các phương trình toán học biểu diễn hoạt động của hệ thống theo mô hình tính toán. Mô hình toán học có thể nhận được bằng nhiều phương pháp khác nhau[10] như phương pháp Newton, Lagrange II, D’alambe, nguyên lý Jodan...
+ Giải mô hình toán học bằng phần mềm chuyên dùng: Khi có được mô hình tính toán ta có thể nghiên cứu dao động của hệ bằng các phần mềm chuyên dụng. Khảo sát dao động của hệ trên miền thời gian và miền tần số xác định các thông số “ra”, khi thay đổi các thông số “vào” và các thông số kết cấu. Các phần mềm chuyên dùng để giải quyết các mô hình toán có thể kể tới như: MatrixX(từ các hệ tích hợp), EASY5(của hãng Boeing) và Matlab với công cụ Simulink (của Mathworks. Inc). Các phần mềm này đều có các khả năng tương đương, tùy thuộc vào mục tiêu bài toán mà ta lựa chọn phần mềm phù hợp.
+ Phân tích kết quả:
Đây là bước cuối cùng của việc mô phỏng, dựa trên việc phân tích kết quả sẽ cung cấp thêm các thông tin để giải quyết mục tiêu ban đầu mà bài toán đặt ra.
2.2.1.2 Phương pháp mô phỏng thông qua mô tả các vật và liên kết
Mô phỏng thông qua mô tả các vật và liên kết là một cách thức mô phỏng thông qua các vật chuẩn và các liên kết chuẩn có sẵn trong một số phần mềm chuyên dụng. Để thực hiện cách này, sau khi nghiên cứu hệ thống sẽ chia hệ thống thành các vật và các liên kết giữa chúng mà không cần quan tâm đến việc thiết lập
các hệ phương trình. Hiện nay có các phần mềm chuyên dụng để mô phỏng dạng này như Alaska, Adam, Modelica, Universal, Carsim. Một số phần mềm tích hợp các modul mô phỏng chuyên dụng cho các hệ thống trên ô tô như: hệ thống treo, hệ thống truyền lực như Simdriveline, Simmachanic, Maplesim...
Ưu điểm của phương pháp mô phỏng thông qua mô tả vật và liên kết là không mất thời gian để thiết lập hệ phương trình cân bằng cho các vật của cơ hệ nhờ sử dụng các modul chuẩn có sẵn trong các phần mềm. Do đó, thời gian thiết