2. Mục đích, nội dung và phạm vi nghiên cứu của đề tài
2.2.2. Mô hình bộ biến mô thủy lực
2.2.2.1. Cấu tạo biến mô thủy lực
Hình 2.9 Biến mô thủy lực
Biến mô thủy lực được cấu tạo gồm: bánh bơm B, tuabin T và thêm vào đó là bánh phản ứng D [9,10,22,25]. Việc truyền mô men xoán cũng giống như ly hợp thủy lực được thực hiện bằng việc sử dụng động năng của chất lỏng tuần hoàn trong các bánh công tác của biến mô thủy lực hay ly hợp thủy lực. Theo sơ đồ cấu tạo trên hình 2.9
Bánh bơm ly tâm B được dẫn động quay từ trục khuỷu động cơ I; bánh tuabin T nối với bánh xe chủ động của ô tô qua hệ thống dẫn động cơ khí II và bánh phản ứng D nối với moay ơ cố định 1 nhờ khớp nối một chiều 2
Hình 2.10 Sự làm việc của biến mô thủy lực [10].
Tất cả ba bánh công tác của bộ biến mô thủy lực tạo thành buồng kín, gọi là vòng tuần hoàn; trên vòng tuần hoàn này có sự chuyển động liên tục của
dòng chất lỏng từ bánh bơm qua bánh tuabin, từ bánh tuabin qua bánh phản ứng và từ bánh phản ứng ngược trở lại bánh bơm khi bánh bơm đã quay. Dòng chất lỏng chảy từ bánh bơm đập vào các cánh của bánh tuabin, do đó bánh tuabin quay quanh trục của nó và làm trục II quay.
Do có mô men xoắn MD của bánh xe phản ứng mà có sự biến đổi mô men xoắn từ trục bánh bơm tới trục bánh tuabin. Mô men xoắn hình thành là do các cánh của bộ phận phản ứng cố định làm thay đổi hướng của dòng chất lỏng chảy từ bánh tuabin quay trở lại bánh bơm. Nếu bánh xe phản ứng có khả năng quay tự do trong dòng chất lỏng thì việc biến đổi mô men sẽ không xẩy ra và biến mô thủy lực trở thành ly hợp thủy lực khi đó còn gây cản trở cho việc truyền động, dẫn đến hiệu suất của bộ truyền giảm. Hệ thống truyền động thủy lực có nhiều ưu điểm, nhưng hiệu suất thấp so với các xe có truyền động cơ khí. để khắc phục nhược điểm đó, trong bộ biến mô người ta lắp thêm ly hợp ma sát để nâng cao hiệu suất của nó mà vẫn đảm bảo sự làm việc êm dịu khi thay đổi tải hay thay đổi điều kiện làm việc của xe. Sự bố trí đó được tính toán hợp lý, để khi xe hoạt động đạt đến một tỷ số truyền (iT.B) thích hợp, thì lúc đó ly hợp ma sát làm việc, nối cứng giữa bánh bơm (bánh chủ động) và bánh tuabin (bánh bị động) thành một khối, tạo thành sự truyền động thẳng. Bởi thế không còn xẩy ra hiện tượng trượt trong truyền động thủy lực [9].
Mặt khác hệ thống truyền lực dùng biến mô thủy lực đã làm thay đổi mô men được cải thiện hơn so với ly hợp thủy lực. Nhưng hệ số biến mô còn rất bé, để cải thiện hơn người ta ghép thêm hộp số cơ vào trước hoặc sau biến mô hay ly hợp thủy lực, có thể là hộp số thông thường hoặc cơ cấu hành tinh vi sai. Như vậy nó đảm bảo việc mở rộng mô men truyền, đáp ứng được khả năng làm việc của các loại ô tô, máy kéo khác nhau.
Các thông số cơ bản của biến mô thủy lực bao gồm: mô men trên các trục, hệ số biến mô, tỷ số truyền, hệ số trượt và hiệu suất của biến mô [10].
Mô men trên trục bánh bơm được xác định theo công thức: 5 2
1 1 a 1
M D n (2.1)
Trong đó: B là hệ số mô men trên bánh bơm; ρ là khối lượng riêng của chất lỏng công tác (đối với dầu thủy lực = 850 870 / kgm3 ); Da là đường kính hiệu dụng của bánh công tác.
Hệ số mô men trên bánh bơm B phụ thuộc vào kết cấu của bánh công tác. Nếu B =const thì biến mô được gọi là biến mô nhạy, còn nếu B thay đổi theo tải trọng thì biến mô được coi là không nhạy.
Tỷ số truyền động lực thể hiện quan hệ giữa mô men trên bánh tua bin và mô men trên bánh bơm (thường được gọi là hệ số biến mô):
. T T B B M K M (2.2)
Mô men trên trục bánh tua bin có thể được tính từ mô men trên trục bơm và hệ số biến mô:
.
T T B B
M K M (2.3)
Tỷ số truyền động học của biến mô thể hiện quan hệ giữa vận tốc của bánh tua bin và bánh bơm (thường được gọi tắt là tỷ số truyền):
. T T B B n i n (2.4)
Hệ số trượt của biến mô thể hiện mức độ chênh lệch giữa vận tốc quay của bơm và tuabin. Khi biến mô phải chịu tải, vận tốc của tua bin luôn thấp hơn vận tốc của bơm và thậm chí có thể bằng 0 (biến mô trượt hoàn toàn). Hệ số trượt được xác định như sau: B T n n n (2.5)
Hiệu suất của biến mô thể hiện hiệu quả truyền công suất của biến mô, nó được tính bằng tỷ lệ giữa công suất trên trục tua bin và công suất trên trục bánh bơm: . .i . T T T T B T B B B B N M n K N M n (2.6)
Trong các công thức trên, N là công suất, M là mô men và n là vận tốc; chỉ số B tương ứng với bánh bơm, chỉ số T tương ứng với bánh tua bin.
Hệ số khả năng truyền tải ( capacity factor):
1 1 b n K M (2.7)
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