2. Mục đích, nội dung và phạm vi nghiên cứu của đề tài
2.2.2.3. Đặc tính không thứ nguyên của biến mô
Để đánh các chế độ hoạt động và tính năng của biến mô thủy lực người ta thường sử dụng đặc tính không thứ nguyên của nó. Đặc tính không thứ nguyên của biến mô thủy lực thể hiện mối quan hệ giữa hiệu suất , hệ số mô men trên bánh bơm B và hệ số biến mô KT.B với tỷ số truyền iT.B. Trên hình 2.11 thể hiện các đặc tính không thứ nguyên của ly hợp và biến mô thủy lực.
Đặc tính không thứ nguyên của ly hợp thuỷ lực được thể hiện trên hình 2.11.a. Đối với ly hợp thủy lực: KT.B = 1 và = iT.B, nên hiệu suất của nó tăng tỷ lệ thuận với tỷ số truyền, còn hệ số mô men trên bánh bơm B thì thay đổi tuỳ theo kết cấu của ly hợp. Có thể thấy rằng, ở vùng tỷ số truyền nhỏ hiệu suất rất thấp, điều này ảnh hưởng xấu tới tính kinh tế nhiên liệu của ô tô sử dụng ly hợp thủy lực. Đặc tính không thứ nguyên của biến mô thuỷ lực loại hỗn hợp có một bánh phản ứng được mô tả trên hình 2.11b. Trong trường hợp này, cần phân biệt 2 vùng làm việc: vùng biến mô và vùng ly hợp. Ở các các chế độ làm việc với tải trọng lớn, tỷ số truyền nhỏ iT.B < iT.B', chế độ làm việc là biến mô. Hệ số biến mô đạt giá trị cực đại khi biến mô trượt hoàn toàn (iT.B= 0) và giảm
dần khi tỷ số truyền tăng lên. Trong vùng này, hiệu suất tăng dần và đạt giá trị cực đại, sau đó giảm nhanh.
Hình 2.11 Đặc tính không thứ nguyên [10]
a) Đặc tính không thứ nguyên của ly hợp thủy lực; b) Đặc tính không thứ nguyên của biến mô một bánh phản ứng; c) Đặc tính không thứ nguyên của
biến mô có hai bánh phản ứng
Khi tỷ số truyền đủ lớn (iT.B = iT.B’), dòng chất lỏng ra khỏi bánh tua bin đổi hướng làm quay bánh phản ứng, nhờ đó biến mô chuyển sang chế độ ly hợp thủy lực. Ở chế độ này, hiệu suất tăng tuyến tính theo tỷ số truyền và KT.B = 1. Như vậy, có thể thấy rằng, bằng cách đặt bánh phản ứng trên khớp một chiều người ta tạo ra biến mô hỗn hợp với 2 chế độ làm việc khác nhau. Ưu điểm của cơ chế này là khi tải trọng giảm xuống đến mức độ nào đó thì nhu cầu về việc tăng mô men không còn nữa, lúc này biến mô chuyển sang làm việc ở chế độ ly hợp và nhờ đó mà người ta có được hiệu suất cao ở vùng làm việc với tải trọng nhỏ (tỷ số truyền lớn). Đây chính là vùng làm việc thườngxuyên được sử dụng trong thực tế nên hiệu suất cao mang lại hiệu quả lớn trong việc tiết kiệm nhiên liệu.Trên hình 2.11c là đặc tính không thứ nguyên của biến mô hỗn hợp có 2 bánh phản ứng. Mục đích của việc bố trí thêm bánh phản ứng thứ hai là mở rộng vùng làm việc có hiệusuất cao của biến mô. Khi tỷ số truyền đạt giá trị ' thì bánh phản ứng thứ nhất bắt đầu quay,nhưng bánh phản ứng còn lại vẫn đứng yên. Tới khi iT.B= iT.B" thì bánh thứ hai cũng quay, lúcnày biến mô chuyển sang làm việc
ở chế độ ly hợp thuỷ lực. Như vậy, trong khoảng giữa uT.B' và " biến mô vẫn duy trì được hiệu suất rất cao, nhờ đó vùng làm việc hiệu suất cao đượcmở rộng hơn so với biến mô chỉ có một bánh phản ứng. Tuy nhiên, cấu tạo của biến mô 2 bánh phản ứng phức tạp hơn và giá thành cao hơn, nên chỉ được sử dụng trên các ô tô có tải trọng lớn.Cần lưu ý rằng trong vùng tỷ số truyền nhỏ thì hệ số biến mô lớn, nhưng ở đây hiệu suất của biến mô thủy lực lại rất thấp nên người ta tránh sử dụng vùng này. Vì vậy, vùng làm việc của biến mô bị giới hạn bởi tỷ số truyền tương ứng với hiệu suất nhỏ nhất cho phép(thường là 80%) và tỷ số truyền tương ứng với thời điểm biến mô chuyển sang chế độ ly hợp thủy lực. Ở các biến mô thủy lực ô tô, thời điểm chuyển sang chế độ ly hợp thường ứng với tỷ số truyền trong khoảng từ 0,8 đến 0,85. Còn hiệu suất thường đạt được giá trị 80% ở tỷ số truyền khoảng 0,4. Như vậy, vùng làm việc của biến mô ô tô thường nằm trong khoảng tỷ số truyền từ 0,4 đến 0,85 [10, 22,25].
Mô hình cụm biến mô thủy lực được xây dựng dựa trên khối phần tử mẫu Torque converter. Khối này gồm 2 cổng kết nối, cổng I nối với trục khuỷu động cơ và cổng T được nối với trục sơ cấp của hộp số.
Hình 2.13 Kết quả mô phỏng đặc tính của biến mô 2.2.3. Mô hình hộp số
Trong hệ thống truyền lực tự động hộp số hành tinh được sử dụng rất rộng rãi nhờ ưu điểm nhỏ gọn nhưng có thể tạo ra nhiều tỷ số truyền. Bộ truyền hành tinh có nhiều loại:
- Loại 3 tốc độ với số truyền tăng điển hình như hộp số A140, A540 sử dụng trong xe FF
- Loại 3 tốc độ với số truyền tăng sử dụng trong xe FR ứng dụng trong hộp số A340, A540
- Loại 4 tốc độ và O/D dùng cho xe FR: Ở loại này một bộ truyền hành tinh trung tâm được đặt giữa bộ truyền hành tinh trước và bộ truyền hành tinh sau. Bằng việc phối hợp các bộ truyền đó với một bộ truyền hành tinh O/D ta có thể lập được năm tỉ số truyền tiến và một tỷ số truyền lùi.
- Loại 5 tốc độ (các xe FR): Một bộ truyền hμnh tinh trung tâm được đặt giữa bộ truyền hành tinh trước và bộ truyền hanh tinh sau. Bộ truyền hành tinh trước có hai bánh răng hành tinh được bố trí giữa bánh răng bao và bánh răng mặt trời. Bằng việc phối hợp các bộ truyền hành tinh này, có thể lập được năm tỉ số truyền tiến và một tỉ số truyền lùi.
- Loại 4 tốc độ CR - CR (các xe FF): Có thể lập được bốn tỉ số truyền tiến và một tỉ số truyền lùi bằng hai bộ bánh răng hành tinh. Một bộ truyền bánh răng hành tinh CR-CR là một bộ bánh răng hành tinh nối cần dẫn trước và sau với bánh răng bao.
Hình 2.15 Bộ truyền hành tinh 4 tốc độ loại CR-CR sử dụng trong hộp số tự động U340
- Loại 4 tốc độ ravigneaux (các xe FF)
Một bánh răng hành tinh dài và một bánh răng hành tinh ngắn được đặt giữa bánh răng bao và bánh răng mặt trời trước. Bánh răng hành tinh dài còn ăn khớp với bánh răng mặt trời sau. Có thể lập được bốn tỉ số truyền tiến và một tỉ số truyền lùi.
Hình 2.16 Bộ truyền hành tinh loại 4 tốc độ ravigneaux sử dụng trong hộp số tự động U440
Để thực hiện mô phỏng tác giả lựa chọn hộp số hành tinh 4 cấp loại CR-CR như trên hình 2.17 làm đối tượng mô phỏng
Hình 2.17 Sơ đồ bộ truyền hành tinh 4 cấp loại CR-CR với 5 ly hợp
Trong sơ đồ hình là Hộp số 4 cấp kiểu CR-CR sử dụng 2 bộ truyền hành tinh và 5 ly hợp ma sát kiểu đĩa. Trục bị động nối với giá của bánh răng hành tinh của bộ truyền hành tinh ra và bánh răng bao của bộ truyền hành tinh vào. Các ly hợp tạo ra 4 tỉ số truyền, một số lùi và số trung gian. Ly hợp lùi và hai ly hợp xác định bánh răng nào sẽ nối với vỏ. Hai ly hợp khác làm việc như cơ cấu phanh, nối các bánh răng khác nhau của các bộ truyền hành tinh với vỏ hộp số. Các ký hiệu trên sơ đồ như sau:
C- cần của bánh răng hành tinh S- Bánh răng mặt trời
R -Ly hợp số lùi
A, B, C, D: Các ly hợp số tiến
Tỷ số truyền, sơ đồ ly hợp chuyển số và dòng công suất
1 RI SI N g N (2.8) 2 RO SO N g N (2.9) Trong đó
NRI Số răng của bánh răng bao của bộ truyền hành tinh sơ cấp NSI Số răng của bánh răng mặt trời của bộ truyền hành tinh sơ cấp NRO Số răng của bánh răng bao của bộ truyền hành tinh thứ cấp
NSO Số răng cuae bánh răng mặt trười của bộ truyền hành tinh thứ cấp
Tỷ số truyền của các tay số và trạng thái của ly hợp được trình bày trong bảng 2.1. Trong đó ký hiệu 1 - trạng thái đóng ly hợp; ký hiệu 0 - nhả ly hợp.
Bảng 2.1 Trạng thái làm việc của các ly hợp ứng với các tay số
Tay số Trạng thái ly hợp Tỷ số truyền
A B C D R I 1 0 0 1 0 1 1 1 g g II 1 0 1 0 0 1 III 1 1 0 0 0 1 2 1 1 g g g IV 0 1 1 0 0 g2 Lùi 0 0 0 1 1 -g1
Hình 2.18 Mô hình mô phỏng hộp số 4 cấp [21]
Mô hình mô phỏng hộp số 4 cấp được xây dựng dựa trên các khối chức năng gồm 02 bộ truyền hành tinh và 5 ly hợp A, B, C, D và R. Việc phối hợp làm việc giữa các ly hợp tạo ra dòng truyền công suất tương ứng với các tay số. Tại mỗi tay số sẽ có 2 ly hợp ở trạng thái khóa, các ly hợp còn lại được điều khiển mở ra. Dựa trên bộ điều khiển chuyển số sẽ gửi tín hiệu cho khối điều khiển ly hợp thực hiện việc đóng, ngắt các ly hợp phù hợp để sang số.
2.2.4 Mô hình khối điều khiển chuyển số
Sơ đồ nguyên lý điều khiển hộp số tự động được mô tả trên hình 2.19. Khi ô tô chuyển động, người lái tác động lên bàn đạp ga ở một mức độ nhất định nhằm đạt được vận tốc mong muốn (Va) trong điều kiện đường xá cụ thể (thể hiện bằng tổng lực cản Fx). Để đáp ứng được yêu cầu của người lái, động cơ phải cung cấp một công suất Ni, được xác định như sau:
a i t F V N (2.10)
- Góc mở bướm ga; Va - vận tốc ô tô; F - lực cản bánh xe; 1 - tín hiệu từ cảm biến vi trí bướm ga; 2 - tín hiệu vận tốc trục ra hộp số; 3 - tín hiệu điều khiển sang số
Hình 2.19 Nguyên lý chuyển số hộp số tự động [10]
Như vậy, có thể thấy rằng vị trí của bàn đạp ga tương ứng với một mức công suất mà động cơ phải cung cấp để đáp ứng yêu cầu chuyển động theo mong muốn của người lái. Trong quá trình hoạt động, công suất yêu cầu thường xuyên thay đổi do vận tốc thay đổi tùy theo điều kiện giao thông và lực cản cũng thay đổi do trạng thái hay độ dốc cùa mặt đường. Chằng hạn, khi lực cản tăng lên (chuyển động lên dốc) vận tốc ô tô sẽ giảm, lúc này người lái sẽ tăng thêm mức ga nhằm duy trì vận tốc mong muốn. Tuy nhiên, nếu tăng ga hết cỡ (góc mở bướm ga đạt giá trị lớn nhất max) mà lực kéo vẫn không đủ để thắng lực cản thì vận tốc ô tô giảm dần, kéo theo vận tốc của động cơ và dẫn đến hiện tượng chết máy. Đây là lúc cần phải tăng tỷ số truyền của hệ thống truyền lực bằng cách chuyển về số thấp hơn. Ngược lại, khi cần tăng tốc ô tô trong điều kiện đường xá thuận lợi thì người lái tăng dần mức ga tới khi động cơ đạt tới vận tốc giới hạn thì vận tốc của ô tô không tăng được nữa. Lúc này phải chuyển sang cấp số cao hơn (giảm tỷ số truyền) để ô tô có thể tiếp tục tăng tốc ở dải vận tốc cao hơn. Vì vậy, đổi với hệ thống truyền lực có
cấp, công suất được truyền tới các bánh xe chủ động được phân bố ở các dải tốc độ khác nhau tùy theo tỷ số truyền (xem hình 2.20).
Tóm lại, điều kiện để chuyển số phụ thuộc chủ yếu vào hai thông số: độ mở bướm ga và vận tốc của ô tô. Vì vậy, hệ thống điều khiển hộp số tự động được thiết kế để thực hiện việc sang số dựa trên sự kết hợp của hai thông tin trên.
Độ mở bướm ga được xác định nhờ một cảm biến góc quay đặt trên trục của nó, còn vận tốc của ô tô được đo gián tiếp thông qua vận tốc trục thứ cấp của hộp số nhờ một cảm biến vận tốc góc (hình 2.19). Dựa trên các thông tin do các cảm biến cung cấp, hệ thống điều khiển thực hiện sang số cho phù hợp với điều kiện chuyển động. Chẳng hạn, nếu góc mở của bướm ga lớn mà vận tốc của trục thứ cấp lại nhỏ thì phải chuyển về số thấp hơn và ngược lại.
Hình 2.20 Đồ thị công suất ở các cấp số khác nhau
Ta xét đồ thị đặc tính thể hiện trên hình 2.20. Có thể thấy rằng, nếu độ dốc của đường bằng 0 và vận tốc chuyển động giới hạn trong khoảng từ 15- 20 km/h thì ô tô chỉ có thể chuyển động ở cấp số 1 hoặc 2, còn trong dải vận tốc từ 40 - 60 km/h thì tất cả các cấp số đều có thể được sử dụng. Ở các dải vận tốc khác nhau, khả năng cung cấp mô men tại bánh xe chủ động phụ thuộc vào cấp số được sử dụng. Chẳng hạn, nếu điều kiện chuyển động yêu cầu phải
cung cấp công suất là 50 kW ở vận tốc 50 km/h thì chỉ có cấp số 1 là có thể đáp ứng. Nhưng nếu mức công suất yêu cầu giảm xuống 40 kW thì số 1 và số 2 đều có thể được sử dụng. Như vậy, trong một điều kiện cụ thể ô tô có thể chuyển động được ở nhiều cấp số khác nhau. Vì vậy, để có thể lựa chọn được cấp số hợp lý nhất cần phải dựa trên các tiêu chí phụ khác (ngoài công suất và vận tốc). Tiêu chí quan ữọng hơn cả trong trường họp này chính là mức tiêu thụ nhiên liệu tối thiểu.
Hình 2.21 Mô hình khối điều khiển chuyển số
Trên thực tế, để hệ thống điều khiển có thể hoạt động được thì cần đặt ra giá trị ngưỡng cho các tín hiệu từ các cảm biến. Khi giá trị tín hiệu của các cảm biến đạt tới ngưỡng giới hạn thì hệ thống thực hiện việc sang số. Mối
quan hệ giữa các giá trị ngưỡng này được gọi là quy luật sang số. Vì vậy, để thiết kế hệ thống điều khiển hộp số tự động người ta phải xây dựng quy luật sang số theo các tiêu chí đã chọn trước [10,22].
Trong luận văn này, mô hình khối điều khiển chuyển số được xây dựng bằng modul Stateflow như trình bày trên hình 2.21
2.2.5. 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 [9]…
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 (2.11) Trong đó: D, C,B, E là các hệ số ( bảng 2.2 )
Bảng 2.2 Giá trị các hệ số B, C, D, E ứng với một số loại đường
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
Hình 2.22 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 2.2 [1,2].
2.2.6. Mô hình thân xe
Chuyển động của ô tô là do kết quả các lực tác dụng lên xe. Trên hình