Mô hình thân xe

2. Mục đích, nội dung và phạm vi nghiên cứu của đề tài

2.2.6. Mô hình thân xe

Chuyển động của ô tô là do kết quả các lực tác dụng lên xe. Trên hình 2.23 trình bày sơ đồ lực tác dụng lên ô tô trong trường hợp tổng quát.

Hình 2.23 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 (2.12) 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;

Vx-tốc độ của ô tô; a b h Fzr g x V mg L d F Fxr Fzf Fxf 

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 các 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 2.25

Hình 2.24 Sơ đồ khối Simulink mô tả thân xe 2.2.7. Mô hình điều khiển người lái

Điều khiển người lái được mô phỏng thông qua khối tác động của người lái. Khối này gồm 2 tín hiệu liên quan đến mức ga Th và trạng thái bàn đạp phanh P. Phối hợp tác động phanh, ga của người lái tương ứng với 4 trường hợp: xe tăng tốc từ từ, lăn trơn, phanh gấp, vượt xe phía trước. Mô hình được trình bày trên hình 2.26.

Hình 2.25 Tác động của người lái

a) Mô hình mô phỏng; b) Tín hiệu phanh ga trong trường hợp phanh gấp

2.2.8. 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 3.11. 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 2.26 Mô hình mô phỏng toàn xe trang bị hộp số tự động 4 cấp

2.3. Kết luận chương 2

Qua nghiên cứu trong chương 2 có thể rút ra một số kết luận sau đây: - Để nghiên cứu động học động lực học ô tô nói chung và nghiên cứu ảnh hưởng của hộp số tự động đến vận tốc chuyển động của ô tô ta có thể sử dụng phương pháp thực nghiệm hoặc mô phỏng;

- Về mặt kết cấu, các hộp số tự động khác nhau đều có cấu tạo chung gồm cụm biến mô men thủy lực, hộp số cơ khí và hệ thống điều khiển. Hiện nay, hộp số tự động với hộp giảm tốc hành tinh được sử dụng rất phổ biến trên ô tô hiện đại;

- Để đảm bảo chủ động linh hoạt trong việc nghiên cứu các thông số động học như vận tốc, gia tốc và các các thông số khác của ô tô trang bị hộp số tự động, trong luận văn này tác giả lựa chọn phần mềm Matlab với các modul State flow, Simulink, Simscape làm công cụ mô phỏng. Đối tượng mô phỏng là ô tô trang bị hộp số tự động 4 cấp kiểu CR-CR.

Chương 3 - MÔ PHỎNG XÁC ĐỊNH VẬN TỐC CỦA Ô TÔ TRANG BỊ HỘP SỐ TỰ ĐỘNG

3.1. Trường hợp mô phỏng

Để xác định vận tốc của ô tô trang bị hộp số tự động, tác giả sử dụng mô hình mô phỏng đã xây dựng trên hình 2.26. Tín hiệu đầu vào được minh họa bằng khối “ Tác động của người lái” trên hình 2.25, trong đó là hai tín hiệu cơ bản: mức ga và phanh. Các thông số kỹ thuật của ô tô được lấy theo bảng 3.1. Việc mô phỏng được tiến hành trong trường hợp sau:

Trường hợp 1. Ô tô tăng tốc từ trạng thái đứng yên

Trường hợp 2. Ô tô thực hiện vượt xe phía trước

Trường hợp 3. Ô tô chuyển động lăn trơn xuống dốc

Trường hợp 4. Phanh gấp

Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của ô tô

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)

550 Hệ số cản lăn 0,018

3.2. Phân tích kết quả

Hình 3.1 Tác động phanh và ga của người lái khi tăng tốc từ từ

Khi tăng tốc ô tô từ từ, người lái đạp bàn đạp ga để tăng dần độ mở bướm ga, tại thời điểm tăng tốc t=0s, độ mở bướm ga là 30%, tại thời điểm t=60s độ mở bướm ga khoảng 66%. Kết quả mô phỏng trường hợp 1 khi ô tô tăng tốc từ trạng thái đứng yên được biểu diễn trên các hình 3.2 đến 3.5.

Hình 3.2 Sự thay đổi của tốc độ, mô men xoắn và công suất có ích của động cơ khi ô tô tăng tốc từ từ

Hình 3.3 Đồ thị tốc độ và mô men trên trục bánh bơm và bánh tua bin khi ô tô tăng tốc từ từ

Kết quả mô phỏng cho thấy khi tăng dần độ mở bướm ga, các giá trị tốc độ, mô men xoắn của động cơ đều tăng. Do được liên kết với trục động cơ, tốc độ của bánh bơm biến mô có quy luật thay đổi gần như trùng khít với sự thay đổi của tốc độ động cơ. Tại thời điểm t=60s tốc độ bánh bơm đạt nB=2000v/p trong khi đó tốc độ trên trục bánh tua bin tại t=60s đạt khoảng nT=1000 v/p.

Hình 3.4 Đồ thị tốc độ trên trục sơ cấp và thứ cấp của hộp số khi ô tô tăng tốc từ từ

Trên hình 3.4.a trình bày tốc độ trục vào, trục ra của hộp số và tốc độ của ô tô, còn trên hình 3.4 b trình bày quá trình chuyển số thông qua trạng thái làm việc của các ly hợp. Ở giai đoạn t=0-4s ly hợp A và D khóa hộp số làm việc ở tay số I; giai đoạn t=4-15s hộp số làm việc ở số II còn từ thời điểm t=15-60s lúc này các ly hợp B và A khóa, hộp số ở vị trí tay số III. Kết quả mô phỏng hình 3.15 và 3.16 cho thấy khi tăng từ từ độ mở bướm ga, tốc độ ô tô sẽ tăng dần, khi t=60 vận tốc đạt khoảng 73km/h tương ứng với độ mở bướm ga khoảng 66%.

Hình 3.5 Đồ thị tốc độ của ô tô khi tăng tốc từ từ

3.2.2. Kết quả mô phỏng trong trường hợp 2: khi ô tô vượt xe phía trước

Hình 3.7 Tác động phanh và ga của người lái

Khi thực hiện vượt xe phía trước, ban đầu người lái tăng tốc cho xe đạt vận tốc lớn hơn xe cần vượt, sau khi vượt qua có thể thực hiện việc giảm tốc độ (hình 3.6), trong trường hợp này người lái không thực hiện phanh xe. Trên hình 3.7 trình bày tác động phanh và ga của người lái trong trường hợp vượt xe. Mức ga thay đổi trong quá trình vượt tốc như sau:

Thời gian t(s) 0 14,9 15 60

Độ mở bướm ga Thr (%) 60 40 100 47

Trên đồ thị hình 3.8 là kết quả mô phỏng sự thay đổi các thông số của động cơ gồm: tốc độ động cơ we, mô men xoắn Me và công suất động cơ Pe theo độ mở của bướm ga.

Hình 3.8 Sự thay đổi của tốc độ, mô men xoắn và công suất có ích của động cơ khi ô tô vượt xe phía trước

Hình 3.9 Đồ thị tốc độ và mô men trên trục bánh bơm và bánh tua bin khi ô tô thực hiện vượt xe phía trước

Hình 3.10 Đồ thị tốc độ trên trục sơ cấp và thứ cấp của hộp số khi ô tô vượt xe phía trước

Từ đồ thị hình 3.10 cho thấy trong khoảng thời gian t=0-4 s ly hợp D và A đóng, hộp số ở vị trí tay số I, từ t=5-10s ly hợp C và A đóng hộp số chuyển sang tay số II, từ tại t=14,9 s độ mở bướm ga giảm xuống 40% và người lái đột ngột tăng ga để vượt xe phía trước, hộp số điều khiển tự động ở vị trí số III cho đến thời điểm t=37s, từ thời điểm này trở đi hộp số chuyển về vị trí tay số IV và giữ nguyên đến thời điểm kết thúc mô phỏng t=60s. Có thể thấy vận tốc của ô tô tăng dần từ thời điểm t=0-37s , sau khi chuyển sang làm việc ở tay số IV vận tốc ô tô giảm một chút do lúc này người lái đã vượt qua xe phía trước và giảm ga. Tốc độ đạt được khi t=60s là 72km/h.

Hình 3.11 Đồ thị tốc độ của ô tô trong trường hợp vượt xe phía trước

3.2.3 Kết quả mô phỏng trường hợp ô tô chuyển động lăn trơn

Khi ở chế độ chuyển động lăn trơn tín hiệu điều khiển của người lái được mô phỏng như trên hình 3.12. Trong trường hợp này, ban đầu người lái điều khiển bàn đạp ga ở mức mở 80% ở 5 s đầu tiên, sau đó giảm dần đến mức ga là 0% tại thời điểm t=10s. Trong quá trình giảm ga, người lái không tác động phanh.

Trên các đồ thị hình 3.13 và 3.14 biểu diễn sự thay đổi tốc độ, công suất, mô men xoắn động cơ (hình 3.13) và sự thay đổi của các thông số làm việc của biến mô men thủy lực. Từ đồ thị ta thấy, quy luật thay đổi tốc độ của bánh bơm biến mô giống với tốc độ của động cơ, còn tốc độ của bánh tua bin có sự thay đổi đột ngột tại các thời điểm t=0s;4s và 7s; đây chính là thời điểm trong hộp số diễn ra quá trình chuyển số.

Hình 3.12 Tác động từ người lái khi xe chuyển động lăn trơn

Hình 3.13 Đồ thị biến thiên tốc độ công suất và mô men xoắn của động cơ khi ô tô chuyển động lăn trơn

Hình 3.14 Đồ thị biến thiên tốc độ và mô men xoắn trên trục bánh bơm và bánh tuabin của biến mô thủy lực khi ô tô chuyển động lăn trơn

Hình 3.16 Đồ thị vận tốc của ô tô khi lăn trơn

Các đồ thị trên hình 3.15 và 3.16 cho ta thấy rõ hơn sự thay đổi tốc độ chuyển động của ô tô khi lăn trơn. Phân tích đồ thị 3.15b ta thấy, thời điểm t=0- 4s hộp số ở vị trí số I do các ly hợp A và D đóng. Ở thời điểm t=4-7s hộp số chuyển sang vị trí số II, từ sau thời điểm t=7s, hộp số chuyển sang vị trí số III vận tốc ô tô giảm dần. Có thể thấy trong trường hợp này, ở giai đoạn t=0-9 tốc độ của ô tô tăng dần và đạt v=46km/h sau đó tốc độ giảm dần, tại t=60s vận tốc ô tô còn lại khoảng 21 km/h.

3.2.4 Kết quả mô phỏng trường hợp phanh gấp

Để mô phỏng trường hợp phanh gấp của ô tô, mô hình tác động từ người lái sử dụng tín hiệu phanh và ga như trên hình 3.17. Trong đó, ở giai đoạn đầu từ 0-20 người lái đang điều khiển xe trên đường duy trì độ mở bướm ga ở mức 50%. Khi gặp chướng ngại vật phía trước người lái tác động phanh đột ngột. Kết quả mô phỏng tính toán các thông số của động cơ được trình bày trên hình 3.18 và sự thay đổi của các thông số của biến mô thủy lực được trình bày trên các hình 3.19. Rõ ràng, trong quá trình chuyển động, trong hộp số diễn ra nhiều giai đoạn chuyển số khác nhau và làm cho vận tốc của các trục bánh tuabin thay đổi. Có thể quan sát thấy sự thay đổi về tốc độ trên trục bánh tua bin xảy ra tại các thời điểm t=4s;10s,20s và 22s.

Hình 3.18 Đồ thị biến thiên tốc độ công suất và mô men xoắn của động cơ

Hình 3.19 Đồ thị biến thiên tốc độ và mô men xoắn trên trục bánh bơm và bánh tuabin của biến mô thủy lực

Hình 3.20 Đồ thị tốc độ trục và trạng thái làm việc của ly hợp hộp số

Hình 3.21 Đồ thị vận tốc của ô tô khi phanh gấp

nguyên bàn đạp ga ở mức 50%, ô tô khởi hành và vận tốc tăng dần, thời điểm chuyển số và duy trì số lần lượt diễn ra như sau: số I (t=0-5s), số II(5-12s); số III (12-20s); số IV(20-24s); số III (t=24-26s); số II( t=26-28s); từ 28s đến 60 s ô tô dừng hẳn và vị trí tay số chuyển về số I. Có thể thấy, vận tốc ô tô tăng dần trong khoảng thời gian t=0-20s đến vận tốc 50km/h , sau đó do tác động phanh gấp của người lái vận tốc giảm dần và tại t=28s ô tô dừng hẳn. Như vậy, có thể thấy với vận tốc ban đầu 50km/h thời gian phanh khẩn cấp đến khi xe dừng hẳn trong trường hợp này diễn ra khoảng 8s.

3.3. Kết luận chương 3

Trong chương 3 trình bày kết quả mô xác định vận tốc chuyển động của ô tô trang bị hộp số tự động trong 4 điều kiện chuyển động đặc trưng gồm: i) ô tô chuyển động lăn trơn; ii) phanh gấp; iii) tăng tốc và iv) vượt xe. Đóng góp chính của chương này là mở rộng các mô hình nghiên cứu trước đây để nghiên cứu ảnh hưởng của một kết cấu hộp số tự động trên ô tô cụ thể. Mở rộng kết quả nghiên cứu, mô phỏng vận tốc của ô tô trong những điều kiện làm việc đặc trưng kể trên có thể được sử dụng làm cơ sở cho việc lựa chọn hộp số tự động phù hợp trong giai đoạn thiết kế ban đầu

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Các kết luận

Sau một thời gian thực hiện, luận văn “ Nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện chuyển động đến vận tố của ô tô trang bị hộp số tự động” đã hoàn thành được những nội dung sau:

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về hộp số tự động trang bị trên ô tô;

- Đã nghiên cứu xây dựng được mô hình toàn xe của ô tô trang bị hộp số tự động 4 cấp kiểu CR-CR bằng phần mềm Matlab Simulink;

- Đã sử dung mô hình xây dựng để nghiên cứu xác định vận tốc chuyển động của ô tô trang bị hộp số tự động trong 4 điều kiện chuyển động đặc trưng gồm: i) ô tô chuyển động lăn trơn; ii) phanh gấp; iii) tăng tốc và iv) vượt xe.

Đóng góp chính của đề tài mở rộng các mô hình nghiên cứu trước đây để nghiên cứu ảnh hưởng của một kết cấu hộp số tự động trên ô tô cụ thể. Mở rộng kết quả nghiên cứu, mô phỏng vận tốc của ô tô trong những điều kiện làm việc đặc trưng kể trên có thể được sử dụng làm cơ sở cho việc lựa chọn hộp số tự động phù hợp trong giai đoạn thiết kế ban đầu

Đề xuất kiến nghị

Đề tài này có thể tiếp tục được phát triển theo hướng sau đây:

- Nghiên cứu tối ưu hóa quá trình chuyển số trong hộp số tự động;

- Nghiên cứu tối ưu các thông số kết cấu của hệ thống truyền lực tự động theo các hàm mục tiêu khác nhau;

- Nghiên cứu ảnh hưởng của kết cấu hệ thống truyền lực đến khả năng động lực học và tính kinh tế nhiên liệu của ô tô.

TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt

1. Nguyễn Hữu Cẩn (2005), Lý thuyết ô tô máy kéo, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật.

2. Chu Thành Khải (2015), Nghiên cứu động học và động lực học hộp số tự động, mô phỏng hoạt động của hộp số, Luận văn thạc sĩ Trường ĐHSPKT TP Hồ Chí Minh.