2. Mục đích, nội dung và phạm vi nghiên cứu của đề tài
3.1.3 Mô hình khối điều khiển hộp số
Hình 3.6 Mô hình khối điều khiển hộp số
Khối điều khiển hộp số (hình 3.6) được xây dựng dựa trên 4 tín hiệu đầu vào là độ trượt ly hợp (Cslip), vận tốc thực của ô tô (Va); vận tốc yêu cầu (V_dem) và tốc độ của động cơ. Các tín hiệu điều khiển tương ứng với tín hiệu vào gồm: tay số (Gdem), áp suất điều khiển ly hợp (Pdem) và mô men xoắn cần thiết từ động cơ (Tdem). Trong đó tín hiệu Gdem và Pdem sẽ được gửi tới khối hộp số để thực hiện điều khiển chuyển số phù hợp.
Hình 3.7 Mô hình mô phỏng tác động của người lái
Trên hình 3.7 minh họa mô phỏng tín hiệu tác động từ người lái, còn trên hình 3.8 là mô hình mô phỏng điều khiển sang số. Để xác định việc chuyển sang tay số cần thiết, tín hiệu cần cung cấp cho mô hình 3.8 gồm tay số hiện hành, mức ga, vận tốc ô tô, độ trượt của các ly hợp số chẵn và ly hợp số lẻ. Mô hình 3.7 gồm
2 tín hiệu đầu vào là vận tốc yêu cầu (Vdem) và vận tốc thực của ô tô (Va), và hai tín hiệu đầu ra, trong đó tín hiệu mức ga (Ga) là một trong những tín hiệu quan trọng cho việc điều khiển sang số, tín hiệu ra thứ hai là lực phanh (Pp) để đảm bảo duy trì vận tốc theo yêu cầu.
Hình 3.8 Sơ đồ khối điều khiển sang số xây dựng bằng State flow 3.1.4. Mô hình lốp
Do mối quan hệ giữa lực kéo và độ trượt rất phức tạp, người ta thường sử dụng các công thức gần đúng để mô tả quan hệ này. Biểu thức thể hiện quan hệ giữa lực kéo và độ trượt được gọi là mô hình lốp. Ngày nay, có nhiều mô hình lốp khác nhau như mô hình Pacejca, mô hình Burchkhardt[1,2]…
Trong các công thức trên, công thức xây dựng bởi Pacejca còn gọi là công thức Magic formula, được coi là công thức mô tả tốt nhất quan hệ giữa lực Fx và độ trượt. Công thức Magic formula được viết như sau:
sin arctan arctan
x F D C Bx E Bx Bx (3.1) Trong đó: D, C,B, E là các hệ số (bảng 3.1)
Bảng 3.1 Giá trị các hệ số B, C, D, E ứng với một số loại đường [14] Loại đường B C D E Nhựa khô 10 1.9 1 0.97 Nhựa ướt 12 2.3 0.82 1 Tuyết 5 2 0.3 1 Đóng băng 4 2 0.1 1
Hình 3.9 Sơ đồ Simulink Simscape mô tả lốp
Để mô hình hóa lốp xe ở cầu trước và cầu sau, khối Tyre được sử dụng dựa trên công thức Magic Fomular. Khối này được lấy từ thư viện Tyre & vehicle trong Simscape Driveline. Mỗi khối lốp bao gồm 5 kết nối: A, H, N, S, M. Trong đó, cổng kết nối N là cổng đầu vào tín hiện phản lực pháp tuyến; kết nối S là độ trượt của lốp. Cổng tín hiệu vật lý M chấp nhận một vectơ bốn phần tử tương ứng với các hệ số Công thức ma thuật (Magic Fomular) B, C, D và E được thể hiện trong Bảng 3.1 [1,2].
3.1.5 Mô hình thân xe
Chuyển động của ô tô là do kết quả các lực tác dụng lên xe. Trên hình 3.10 trình bày sơ đồ lực tác dụng lên ô tô trong trường hợp tổng quát.
Hình 3.10 Sơ đồ lực tác dụng lên ô tô
Phương trình vi phân mô tả động lực học của thân xe được viết như sau:
𝑚𝑉𝑥̇ = 𝐹𝑥 − 𝐹𝑑 − 𝑚. 𝑔. 𝑠𝑖𝑛𝛽 𝐹𝑥 = 𝑛(𝐹𝑥𝑓 + 𝐹𝑥𝑟) 𝐹𝑑 = 1 2𝐶𝑑𝜌. 𝐴(𝑉𝑥 + 𝑉𝜔) 2𝑠𝑔𝑛(𝑉𝑥 + 𝐹𝜔) 𝐹𝑧𝑓 =−ℎ(𝐹𝑑 + 𝑚. 𝑔. 𝑠𝑖𝑛𝛽 + 𝑚. 𝑉̇𝑥) + 𝑏. 𝑚. 𝑔. 𝑐𝑜𝑠𝛽 𝑛(𝑎 + 𝑏) 𝐹𝑧𝑟 = ℎ(𝐹𝑑+ 𝑚. 𝑔. 𝑠𝑖𝑛𝛽 + 𝑚. 𝑉̇𝑥) + 𝑎. 𝑚. 𝑔. 𝑐𝑜𝑠𝛽 𝑛(𝑎 + 𝑏) 𝐹𝑧𝑓 + 𝐹𝑧𝑟 = mg𝑐𝑜𝑠𝛽 𝑛 (3.2) Trong đó: g - gia tốc trọng trường;
β- góc nghiêng của đường; m: khối lượng của ô tô;
h- chiều cao trọng tâm;
a, b- khoảng cách từ trọng tâm đến cầu trước và cầu sau; a b h Fzr g x V mg L d F Fxr Fzf Fxf
Vx-tốc độ của ô tô;
Vw-tốc độ của gió;
N- Số lượng của bánh xe trên một cầu;
Fxf, Fxr: lực dọc tác dụng lên cầu trước và sau;
Fzf, Fzr- lực pháp tuyến từ mặt đường tác dụng lên bánh xe trước và sau. Diện tích cản chính diện của ô tô;
Cd- hệ số cản không khí; ρ- mật độ không khí;
Fd- lực cản không khí.
Để mô tả thân xe ta sử dụng khối Vehicle body như trình bày trên hình 3.11
Hình 3.11 Sơ đồ khối Simulink mô tả thân xe 3.1.6 Mô hình toàn xe
Dựa trên mô hình các hệ thống con đã xây dựng được ở các phần trên, ta có mô hình toàn xe như trình bày trên hình 3.12. Với mô hình này cho phép ta thay đổi các thông số đầu vào như tác động phanh, ga của người lái và điều kiện chuyển động như độ dốc đường, gió… cũng như các thông số cấu tạo khác của ô tô để nhận được kết quả là vận tốc chuyển động của ô tô dưới dạng đồ thị hoặc bảng số. Chính vì vậy, mô hình này cho phép ta nghiên cứu xác dịnh được vận tốc chuyển động của ô tô ứng với từng điều kiện làm việc cụ thể.
Hình 3.12 Mô hình mô phỏng toàn xe ô tô trang bị hệ thống truyền lực cơ khí với ly hợp kép
3.2 Mô phỏng và phân tích kết quả
Để nghiên cứu động lực học của ô tô với ly hợp kép, tác giả sử dụng mô hình mô phỏng đã xây dựng trên hình 3.12. Việc mô phỏng được tiến hành trong 03 trường hợp sau:
Trường hợp 1. Ô tô hoạt động theo chu trình thử ECE 15
Trường hợp 2. Ô tô hoạt động theo chu trình thử UEDC
Trường hợp 3. Ô tô tăng tốc từ vận tốc ban đầu 0 đến 100 km/h
Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật của ô tô[4]
Khoảng cách từ trọng tâm đến cầu trước (m)
1,5 Khối lượng ô tô
(kg) 1450 Khoảng cách từ trọng tâm đến cầu sau (m) 1,7 Diện tích cản chính diện (m2) 2,6
Chiều cao trọng tâm (m) 0,45 Hệ số cản 0,4
Công suất cực đại của động cơ (kW)
160 Mật độ không khí
(kg/m3)
1,18
Tốc độ của động cơ khi đạt công suất lớn nhất (v/p)
4600 Bán kính lăn bánh xe (m)
0,28
Tốc độ không tải của động cơ (v/p)
3.2.1 Kết quả mô phỏng trường hợp 1: ô tô chuyển động theo chu trình thử ECE 15 ECE 15
Hình 3.13 Chu trình thử ECE 15
Hình 3.14 Đồ thị thay đổi các thông số của động cơ
Trên hình 3.13 trình bày chu trình thử theo tiêu chuẩn châu Âu ECE 15, trong đó ta thấy có 3 giai đoạn ô tô tăng tốc, giữ nguyên tốc độ và giảm tốc. Trên hình 3.14 là kết quả mô phỏng sự thay đổi của gia tốc ô tô trong thời gian làm việc theo chu trình này. Kết hợp phân tích đồ thị này cùng các đồ thị mô phỏng lực kéo (hình 3.15) và đồ thị chuyển số (3.16) ta thấy: ở giai đoạn tăng tốc đầu tiên vận tốc ô tô đạt lớn nhất là 15 km/h khi này hộp số thực hiện việc chuyển số từ số I lên số II, khi giảm tốc việc chuyển số thực hiện ngược lại; ở giai đoạn tăng tốc thứ hai từ t=50s - 62s vận tốc ô tô tăng từ 0 đến 32 km/h, trong hộp số lần lượt thực hiện tăng số từ số I lên số II và số III sau đó lại thực hiện giảm số do giảm
tốc độ; còn ở giai đoạn tăng tốc cuối cùng (t=117s-142s) vận tốc ô tô đạt lớn nhất là 50 km/h, trong hộp số lần lượt thực hiện tăng số từ số I lên số cao nhất là số V. Ứng với thời gian tăng số và giảm số ta thấy giá trị của gia tốc ô tô và giá trị của lực kéo, lực phanh có bước nhảy. Khi giảm tốc người lái phải thực hiện phanh để vận tốc ô tô đạt được vận tốc yêu cầu của chu trình thử ứng với từng giai đoạn.
Hình 3.15 Đồ thị vận tốc và gia tốc của ô tô khi làm việc theo chu trình ECE 15
Hình 3.16 Đồ thị lực kéo và lực phanh
Hình 3.18 Đồ thị gia tốc và quãng đường tăng tốc trong giai đoạn đầu tiên chu trình ECE 15
Hình 3.19 Đồ thị lực kéo trong giai đoạn tăng tốc đầu tiên chu trình ECE 15
Phân tích kết quả mô phỏng tính toán các thông số động lực học của ô tô trong giai đoạn tăng tốc đầu tiên của chu trình thử ECE 15 cho thấy, thời gian ô tô tăng tốc từ 0 đến 15 km/h mất khoảng 4s gia tốc lớn nhất khi tăng tốc trong giai
đoạn này là 1,5m/s2 (hình 3.17), quãng đường tăng tốc là 8m. Trong khoảng thời gian này lực kéo lớn nhất cần cung cấp là 2160(N). Khi tăng tốc từ 0 đến 15 km/h, hộp số ô tô làm việc ở tay số I.
3.2.2 Kết quả mô phỏng trường hợp 2: ô tô chuyển động theo chu trình thử UEDC
Hình 3.20 Đồ thị vận tốc và gia tốc của ô tô khi hoạt động theo chu trình thử UEDC
Trên hình 3.19a trình bày chu trình thử UEDC và kết quả mô phỏng sự thay đổi của gia tốc ô tô khi hoạt động theo chu trình thử UEDC. Phân tích kết quả cho thấy, giá trị gia tốc lớn nhất của ô tô là -2,2m/s2 khi ô tô thực hiện giảm tốc từ vận tốc 90 km/h xuống 0 km/h tương ứng với khoảng thời gian t=362 - 370s.
Hình 3.21 Đồ thị lực kéo và quãng đường di chuyển của ô tô khi hoạt động theo chu trình UEDC
Trên hình 3.21 là kết quả mô phỏng sự thay đổi của quãng đường và lực kéo trong chu trình thử UEDC. Trong thời gian 400s của chu trình, ô tô di chuyển được quãng đường 6200 km, lực kéo của ô tô có sự thay đổi lớn ở các giai đoạn tăng tốc và giảm tốc.
Để đảm bảo lực kéo và vận tốc theo yêu cầu ở giai đoạn đầu của quá trình tăng tốc (t=20-60s), ô tô thực hiện việc chuyển số từ tay số 1 lên tay số 6. Trong khoảng thời gian t-61-110s ô tô duy trì chuyển động với vận tốc 70 km/h ở tay số 6. Tiếp theo trong gian đoạn giảm tốc (t=111s-115s) trong hộp số thực hiện việc chuyển số từ tay số 6 về tay số 5, vận tốc của ô tô giảm xuống 50 km/h, ô tô làm việc ở tay số 5 trong khoảng thời gian(t=115 đến 191s). Ở giai đoạn tăng tốc tiếp theo tại t=197s, trong hộp số thực hiện việc tăng số từ tay số 5 lên tay số 6 và duy trì làm việc ở số 6 với vận tốc 90km/h trong suốt khoảng thời gian này đến thời điểm giảm tốc t=360s. Từ đồ thị trên hình 3.21 cho ta thấy, giá trị lực kéo lớn nhất là ở giai đoạn tăng tốc đạt được là 1700N ứng với thời điểm khởi hành.
Hình 3.22 Đồ thị quá trình chuyển số và sự thay đổi lực kéo khi chuyển số
Trên hình 3.22 là đồ thị kết quả mô phỏng sự thay đổi vận tốc, gia tốc và quãng đường tăng tốc ứng với giai đoạn tăng tốc đầu tiên của chu trình thử này (t=20 - 60s). Có thể thấy rằng, trong giai đoạn tăng tốc đầu tiên gia tốc lớn nhất của ô tô đạt được là 1,1 m/s2 giá trị gia tốc trung bình khoảng 0,55m/s2. Quãng đường tăng tốc trong giai đoạn này S=400m.
Đồ thị hình 3.23 cho thấy trong giai đoạn tăng tốc đầu tiên ứng với khoảng thời gian t=20-60s lực kéo tại bánh xe chủ động lớn nhất khoảng 1700 N, còn giá trị trung bình của lực kéo khoảng 780 N. Trong giai đoạn này, ô tô thực hiện việc chuyển số từ tay số 1 lên tay số 6. Vận tốc lớn nhất của ô tô trong giai đoạn này là 70 km/h.
Hình 3.23 Đồ thị gia tốc và quãng đường tăng tốc trong giai đoạn tăng tốc đầu tiên của chu trình UEDC
Hình 3.24 Đồ thị sang số và sự thay đổi lực kéo trong giai đoạn tăng tốc đầu tiên của chu trình UEDC
3.2.3 Kết quả mô phỏng trường hợp 3: ô tô tăng tốc từ 0 đến 100 km/h
Kết quả mô phỏng trong trường hợp ô tô thực hiện tăng tốc từ 0 đến 100 km/h cho thấy, trong hộp số lần lượt chuyển từ số 1 lên số 6 trong thời gian khoảng 10s. Thời gian tăng tốc của ô tô từ 0 km/h đến khi đạt đến vận tốc 100 km/h mất
khoảng 20s (hình 3.24). Trong khoảng thời gian này ô tô có gia tốc lớn nhất khoảng 6,7m/s2 và quãng đường tăng tốc của ô tô là 370 m.
Hình 3.25 Đồ thị vận tốc và quá trình chuyển số khi ô tô tăng tốc đến 100 km/h
Hình 3.26 Đồ thị gia tốc và quãng đường tăng tốc khi ô tô tăng tốc đến 100 km/h
Trên hình 3.26 là đồ thị biểu diễn trạng thái làm việc của các ly hợp số lẻ và ly hợp số chẵn. Phân tích đồ thị hình 3.30 cho thấy, trong thời gian tăng tốc khoảng 20s, ô tô thực hiện chuyển số lần lượt từ số 1 lên số 6 trong đó thời gian
số 4(5,2s-6,7s); số 5(7,1s-9,4 s) số 6 ( từ t=9,8s-20s). Như vậy, thời gian chuyển từ số này lên số kia diễn ra khoảng 0,4s. Quan sát sự thay đổi áp suất của các ly hợp cũng cho thấy, trong thời gian chuyển số khoảng 0,4s này khi áp suất của một ly hợp giảm xuống, thì áp suất của ly hợp kia sẽ tăng lên, nghĩa là khi chuyển số các ly hợp số lẻ và số chẵn làm việc luân phiên nhau.
Hình 3.27 Đồ thị trạng thái làm việc của các ly hợp khi ô tô tăng tốc đến 100 km/h
Hình 3.28 Đồ thị lực kéo khi ô tô tăng tốc đến 100 km/h
Từ các đồ thị gia tốc (hình 3.25) và đồ thị lực kéo (hình 3.37) khi ô tô tăng tốc đến 100 km/h có thể quan sát thấy rằng, gia tốc và lực kéo của ô tô có bước nhảy đột ngột đúng vào thời điểm chuyển từ số này sang số kia.
3.3 Kết luận chương 3
Các nội dung đã đạt được trong chương 3:
- Xây dựng một mô hình nghiên cứu ô tô trang bị hộp số cơ khí 6 cấp kiểu ly hợp kép bằng công cụ Simscape, Simulink. Mô hình cho phép xác định các thông số đặc trưng cho tính năng động lực học như: vận tốc, gia tốc, lực kéo tiếp tuyến tại bánh xe chủ động.
- Sử dụng mô hình đã xây dựng để nghiên cứu sự thay đổi của các thông số động lực học của ô tô trong các điều kiện làm việc tiêu chuẩn theo 02 chu trình thử: ECE15, UEDC và trường hợp ô tô tăng tốc từ 0 đến 100 km/h.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận
Sau một thời gian nghiên cứu, với sự nỗ lực của bản thân được sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo TS. Nguyễn Khắc Tuân cùng với sự giúp đỡ của các thầy cô trong Khoa Kỹ thuật Ô tô - Máy Động lực, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên cùng với sự động viên khích lệ của bạn bè, đồng nghiệp, em đã hoàn thành cơ bản nội dung của luận văn thạc sĩ của mình. Luận văn đã đạt được một số kết quả sau đây:
- Phân tích và chỉ ra được tính cấp thiết của để tài;
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về hộp số tự động kiểu ly hợp kép;
- Xây dựng mô hình mô phỏng ô tô trang bị hệ thống truyền lực kiểu ly hợp kép bằng phần mềm Matlab - Simulink;
- Mô phỏng và đánh giá một số thông số động lực học của ô tô trang bị hộp số tự động với ly hợp kép trong một số điều kiện làm việc đặc trưng.
Kiến nghị
Đề tài có thể phát triển theo hướng sau:
- Nghiên cứu tối ưu hóa quá trình điều khiển hộp số tự động với ly hợp kép; - Nghiên cứu tính kinh tế nhiên liệu của ô tô trang bị hệ thống truyền lực kiểu ly hợp kép;
- Nghiên cứu tối ưu các thông số kết cấu của hệ thống truyền lực kiểu ly hợp kép theo các hàm mục tiêu khác nhau.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1. Nguyễn Lương Huy (2010), Nghiên cứu đặc tính động lực học quá trình chuyển số của ô tô có hộp số tự động AT, Luận văn thạc sĩ kỹ thuật, Trường Đại học Nông Nghiệp, Hà Nội.
2. Chu Thành Khải (2015), Nghiên cứu động học và động lực học hộp số tự động- mô phỏng hộp số, Luận văn thạc sĩ, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật, Thành phố Hồ Chí Minh.
3. Vũ Anh Sơn (2010), Nghiên cứu đặc tính động lực học của ôtô với hệ thống truyền lực cơ khí và hệ thống truyền lực thủy cơ. Luận văn thạc sĩ, Trường