Mô phỏng quá trình truyền động của xe Toyota Vios sử dụng hộp số U340E, cho mô phỏng chạy trong 50s với trạng thái độ mở bướm ga từ 30% đến 60%. Ta sẽ thu được kết là quả quá trình chuyển số của xe, tốc độ của xe ứng với từng tay số khác nhau. Ngoài ra mô phỏng còn hiển thị các kết quả về tốc độ, moment của các bộ phận trong hệ thống truyền lực như động cơ, trục sơ cấp, trục thứ cấp, bánh xe.
Time(s) 0-5 5-10 10-15 15-20 20-25 25-28-30 C1 1 1 1 0 0 0 C2 0 0 1 1 0 0 C3 0 0 0 0 0 0 B1 0 0 0 1 0 0 B2 0 1 0 0 0 0 B3 0 0 0 0 0 0 Phanh 0 0 0 0 0 0 1 1 Tay số 1 2 3 4 N
30
3.2.1. Sơ đồ khối trong hệ thống truyền lực.
Sơ đồ trên cho thấy được dòng truyền công suất trong hệ thống truyền lực, bắt đầu từ động cơ sản sinh ra công suất truyền đến bộ biến mô, hộp số tự động bốn tốc độ U340E, các đăng, bánh xe và thân xe.
Để mô phỏng hệ thống trên, ta sử dụng những khối có trong Simscape Driveline sau. Động cơ (Engine).
Đường dẫn: Simscape / Driveline / Generic Engine.
Đại diện cho một động cơ đốt trong có độ mở bướm ga, quán tính quay và độ trễ. Các thông số công suất và moment sẽ được cung cấp từ động cơ mà ta chọn.
Có hai tín hiệu đầu vào gồm bướm ga (Throttle) và chân B (Block) sẽ được nối với
Mechanical Rotational Reference với chức năng là làm một điểm tham chiếu cơ học
như là khung hoặc mặt đất, ngoài ra chân B còn được kết nối với Solver configuration
với chức năng đưa ra các tham số mà mô hình cần có trước khi mô phỏng.
Hình 3.20 Sơ đồ khối trong hệ thống truyền lực
31 Có 3 tín hiệu đầu ra gồm P (công suất động cơ tức thời), FC (mức tiêu thụ nhiên liệu của động cơ) và F (trục khuỷu động cơ) sẽ cho ra dòng công suất mà động cơ sản sinh ra kèm theo một moment động cơ trước khi đi vào bộ biến mô.
Các thông số sử dụng trong khối Engine lấy từ động cơ trên xe Vios 1.5G 2012 gồm:
Công suất cực đại: 107 Hp.
Số vòng quay tại công suất cực đại: 6000 rpm. Số vòng quay cực đại: 6600 rpm.
Quán tính động cơ: 0.16 kg*m^2. Tốc độ ban đầu: 960 rpm.
Tốc độ cầm chừng: 800 rpm. Bộ biến mô (Torque Converter).
Đường dẫn: Simscape / Driveline / Couplings & Drives/ Torque Converter.
Đại diện một mô hình cho bộ chuyển đổi moment xoắn với với ba bộ phận gồm bánh bơm, bánh tuabin, bánh stato. Gồm có 1 tín hiệu đầu vào là dòng công suất nhận từ moment quán tính cánh bơm và xuất ra dòng công suất ở cánh tuabin sau khi được biến đổi. Các thông số sử dụng trong khối Torque Converter được lấy từ Carsim.
Vecto tỉ lệ tốc độ: được lấy từ phương pháp nội suy trên Carsim.
32 Vecto tỉ lệ moment: được lấy từ phương pháp nội suy trên Carsim.
Vector hệ số công suất: được lấy từ phương pháp nội suy trên Carsim. Hộp số tự động U340E.
Hộp số U340E đã trình bày ở mục 3.1. Hộp số sẽ nhận dòng công suất được truyền từ bộ biến mô sau khi đã qua moment quán tính trục sơ cấp.
Thân Xe (Vehicle Body).
Hình 3.23 Hộp thoại khối Torque Converter
33 Là một khối mô tả Body của xe kèm theo các bánh xe, phanh. Bởi xe sử dụng cầu chủ động trước nên dòng công suất từ trục thứ cấp của hộp số sẽ nối trực tiếp vào cầu trước, ở mỗi cầu sẽ có một bộ hãm phanh ứng với cầu trước là phanh đĩa và cầu sau là phanh trống với chức năng là hãm tốc độ mỗi theo yêu cầu của chu trình chạy, tín hiệu phanh được nhận từ Driver Inputs. Ở body của xe sẽ có các tín hiệu gồm:
W — Headwind speed: Cổng đầu vào tín hiệu vật lý cho tốc độ gió ban đầu. Beta — Road incline angle: Cổng đầu vào tín hiệu vật lý cho góc nghiêng đường. V — Longitudinal velocity: Cổng đầu ra tín hiệu vật lý cho vận tốc xe.
NR — Rear axle normal force: Cổng đầu ra tín hiệu vật lý cho lực thẳng đứng ở trục sau.
NF — Front axle normal force: Cổng đầu ra tín hiệu vật lý cho lực thẳng đứng ở trục trước.
H — Horizontal motion: liên quan đến chuyển động ngang của thân xe. Kết nối chuyển động lực kéo lốp với cổng này.
34 Bánh xe (Tire).
Đường dẫn: Simscape / Driveline / Tires & Vehicles.
Đại diện cho một bánh xe, có thể tùy chọn thay đổi các thông số quán tính bánh, độ trượt, cản lăn. Ở bánh xe có các tín hiệu gồm:
N – Phản lực tác dụng lên bánh xe từ mặt đường. A – Nối với trục của bánh xe.
H – Lực kéo và tốc độ tịnh tiến tác dụng lên thân xe. S – Cổng đầu ra tín hiệu vật lý báo cáo độ trượt của lốp. Khối truyền lực chính (Differential).
Đường dẫn: Simscape/ Driveline/ Gear/ Differential.
Truyền moment xoắn từ các bán trục đến bánh xe của cầu trước. Ta có tỷ số truyền lực chính là 4.045.
Các chân tín hiệu:
D – Nối với trục thứ cấp của hộp số.
S1, S2 – lần lượt là các chân nối với hai bánh xe cầu trước chủ động.
Hình 3.26 Khối Tire
35 Như vậy, tổng hợp tất cả các khối trên ta sẽ có được hệ thống truyền lực trong môi
trường Matlab Simulink như sau:
3.2.2. Hệ thống điều khiển chuyển số của hộp số.
Bộ điều khiển hộp số tự động được viết trong môi trường Stateflow với chức năng lựa chọn tay số cho việc truyền công suất. Gồm có hai tín hiệu đầu vào là bướm ga, tốc độ xe và tín hiệu đầu ra là tay số mong muốn.
Hình 3.29 Hệ thống điều khiển chuyển số của hộp số
Hình 3.30 Khối Shift Logic
36 Giải thích sơ đồ:
Gồm có hai biểu đồ, biểu đồ đầu tiên là gear_state (lựa chọn tay số) có bốn tay số,
giữa các tay số là các trạng thái và điều kiện lên số, xuống số dựa vào dự kiện mà biểu đồ thứ hai là selection_state (trạng thái ổn định) gửi đến thông qua các nút giao trung tâm.
Ngoài ra ở biểu đồ thứ hai còn có các biến down_th, up_th, đây là những biến được
xác định nhờ vào bảng tra trong hàm Simulink Function, tín hiệu phản hồi của tốc độ xe và thời gian tối thiểu để ở mỗi tay số (TWAIT) để tránh trường hợp chuyển số quá nhanh.
Nhìn vào biểu đồ thứ hai steady_state ta thấy việc sang số sẽ được điều khiển một cách tự động dựa trên việc so sánh tốc độ xe với một giá trị ổn định mà hộp số cho trước theo từng cấp số trong Simulink Funtion (down_th, up_th).
Sau đó xe lại tiếp tục chuyển động ổn định ở cấp số vừa chuyển cho tới khi tốc độ của xe thay đổi, việc đó cứ diễn ra liên tục cho tới khi nào xe đạt được tốc độ ổn định theo cấp số mà xe chạy. Mô hình bắt đầu bằng cách thực hiện các tính toán được chỉ ra trong hàm trong suốt quá trình của nó.
37 Việc tính toán ngưỡng tốc độ của hai biến down_th, up_th được thực hiện nhờ vào bảng tra thực nghiệm giữa hai tín hiệu bướm ga và tay số. Gồm có hai trường hợp Upshifting và Downshifting.
Trường hợp Upshifting.
Hình 3.33 Các thông số thực nghiệm cho trường hợp Upshifting Hình 3.32 Khối điều kiện chuyển số
38 Ở bảng tra gồm một cột thể hiện độ mở bướm ga (0, 25, 35, 50, 90, 100), các tay số (1,2,3,4) và khoảng tốc độ ở từng tay số ứng với độ mở bướm ga. Gỉả sử ở bướm ga đóng hoàn toàn mà tốc độ xe dưới 6.6 mph thì xe sẽ ở tay số 1, dưới 20 mph xe sẽ ở tay số 2, dưới 33.3 mph xe sẽ ở tay số 3 và từ 33.3 đến 45 mph xe sẽ ở tay số 4.
Trường hợp Downshifting.
Ở bảng tra gồm một cột thể hiện độ mở bướm ga (0, 5, 40, 50, 90, 100), các tay số (1,2,3,4) và khoảng tốc độ ở từng tay số ứng với độ mở bướm ga. Gỉả sử ở bướm ga ở vị trí 40% mà tốc độ xe trên 22.6 mph thì xe sẽ ở tay số 4, dưới 22.6 mph xe sẽ chuyển xuống tay số 3, dưới 16.6 mph xe sẽ chuyển xuống số 2 và dưới 3.3 mph xe sẽ chuyển xuống tay số.
Trong biểu đồ selection_state, mô hình so sánh các giá trị này với tốc độ xe hiện tại để xác định xem có cần phải thay đổi hay không. Nếu có thì nó đi vào một trong các trạng thái xác nhận (Upshifting hoặc downshifting), ghi lại thời gian chuyển số. Nếu tốc độ xe
Hình 3.35 Các thống số thực nghiệm trường hợp Downshifting
39 không còn thỏa mãn điều kiện sang số và thời gian quy định TWAIT ở mỗi tay số (tránh trường hợp chuyển số quá nhanh) thì xe sẽ bỏ qua các thay đổi đó để trở về trạng thái ổn định. Sau khi xác định được trạng thái ổn định của tay số thì biểu đồ selection_state sẽ gửi thông tin lên biểu đồ gear_state thông qua các nút giao trung tâm và kích hoạt
chuyển đổi sang tay số phù hợp.
Ví dụ, Nếu xe đang di chuyển ở tay số thứ 2 với độ mở bướm ga 25%, trạng thái gear = 2 hoạt động trong gear_state, trạng thái steady_state hoạt động trong selection_gear.
Khi nhận thấy rằng xe sẽ tăng tốc vượt qua 30km/h, thì trạng thái ổn định sẽ đi vào trạng thái lên số bên phải (upshifting) kèm theo điều kiện thời gian chuyển số nếu phù hợp thì ở selection_gear sẽ gửi thông tin chuyển số đến gear_state thông qua nút giao trung tâm và quá trình chuyển từ tay số 2 lên tay số 3 được thực hiện.
Như vậy, kết hợp thêm bộ điều khiển hộp số thì ta sẽ có hệ thống truyền lực của xe Vios trong Matlab Simulink như sau:
3.2.3. Mô phỏng động lực học xe Toyota Vios dùng hộp số U340E theo điều kiện cho trước.
Hình 3.37 Hệ thống truyền lực có bộ điều khiển trong Matlab Simulink
40 Sơ đồ khối trên ta thấy tín hiệu đầu vào là bướm ga gửi đến động cơ để sản sinh công suất truyền cho các khối còn lại trong hệ thống, tín hiệu phanh tác dụng lên xe theo điều kiện ta quy định. Bộ điều khiển sẽ nhận hai tín hiệu bướm ga và phản hồi tốc độ xe để tính toán tay số mong muốn gửi cho hộp số.
Xây dựng khối tín hiệu đầu vào (Driver Inputs) với chế độ độ mở bướm ga tăng dần từ 30% đến 60% (Gradual Acceleration) để cung cấp tín hiệu bướm ga và phanh cho hệ thống.
Gradual Acceleration (Độ mở bướm ga tăng dần): Ở chế độ này tín hiệu phanh sẽ không hoạt động còn tín hiệu bướm ga bắt đầu ở 30% và tăng dần theo thời gian cho đến hết chu trình với mục đích để xem khả năng tăng tốc và chuyển số của xe.
Hình 3.39 Hộp thoại khối tín hiệu đầu vào
41
Hình 3.41 Hệ thống truyền lực hoàn chỉnh trong Matlab Simulink
Như vậy, kết hợp thêm khối tín hiệu đầu vào thì ta sẽ được hệ thống truyền lực trong Matlab Simulink như sau:
3.3. Mô phỏng kiểm nghiệm hiệu suất xe.
Chạy mô phỏng với chu trình chạy thử ECE R15 sử dụng bộ điều khiển PID trong vòng 195 giây. Kết quả mô phỏng cho ta thấy được tốc độ và moment của các bộ phận trong hệ thống truyền lực, và hiệu năng của xe để qua đó đánh giá khả năng hoạt động của hộp số U340E trên xe Vios 1.5 G 2012.
3.3.1. Chu trình chạy thử và vai trò trong mô phỏng.
Chu trình chạy thử là một chuỗi dữ liệu thể hiện sự thay đổi của vận tốc xe theo thời gian. Chu trình chạy thử có sự khác nhau giữa các quốc gia hay tổ chức nhằm đánh giá công suất của xe bằng nhiều cách, một ứng dụng của chu trình chạy thử là mô phỏng. Đặc biệt hơn, chu trình chạy thử được sử dụng trong mô phỏng hệ thống truyền lực nhằm dự đoán hiệu suất của động cơ đốt trong, hộp số, hệ thống lái điện, ắc quy, pin nhiên liệu
42 và những thành phần tương tự khác. Một số chu trình chạy thử được thiết kế dựa trên lý thuyết, ví dụ như chu trình chạy thử của khối liên minh Châu Âu (EU), trong khi một số chu trình được đo đạc trực tiếp từ thực tế. Có hai loại chu trình chạy thử là chu trình Transient mô ta nhiều lần thay đổi vận tốc, điển hình cho điều kiện lái xe thực tế và chu trình Modal kéo dài khoảng thời gian duy trì một vận tốc nhất định.
Chu trình chạy thử được sử dụng trong mô phỏng kiểm nghiệm xe trong điều kiện thực tế là ECE R15, chu trình được đặc trưng bởi tải động cơ thấp, nhiệt độ khí thải thấp, và tốc độ tối đa là 50km/h phù hợp với điều kiện giao thông và tốc độ giới hạn theo luật giao thông đường bộ Việt Nam. Chu trình chạy thử này thuộc dạng Modal và được mô tả như sau:
Ở dãy tốc độ thấp: tăng tốc từ 0 đến 15.2km/h trong 3(s) và duy trì tốc độ trong 9(s), sau đó giảm tốc về 0km/h trong vòng 3(s). Điều kiện mô phỏng này tương ứng với chế độ chạy trong khu vực kẹt xe và dừng đèn đỏ.
Ở dãy tốc độ trung bình: tăng tốc từ 0 đến 35 km/h trong vòng 8(s) và duy trì tốc độ đó trong 19(s), sau đó giảm tốc độ về 0 km/h trong vòng 8(s). Điều kiện này tương ứng với chế độ chạy ở khu vực nội thành.
Ở dãy tốc độ cao: tăng tốc từ 0 đến 50.1 km/h trong vòng 11(s) và duy trì tốc độ đó trong 13(s), sau đó giảm tốc độ về 35.5 km/h trong vòng 5(s) và duy trì tốc độ này trong 13(s) tiếp theo và sau đó giảm tốc độ về 0 km/h trong vòng 8(s). Điều kiện này tương ứng với chế độ chạy ở khu vực ngoại thành.
43
Hình 3.44 Hệ thống truyền lực chạy chu trình thử trong Matlab Simulink
3.3.2. Mô phỏng và kiểm nghiệm.
Ở mô phỏng này ta chọn chu trình chạy thử ECE R15 vào trong hệ thống để kiểm nghiệm hiệu năng của xe.
Đường dẫn: Vehicle Scenarios / Drive Cycle and Maneuvers.
Ta sẽ kiểm nghiệm xe với chu trình chạy thử ECE R15 và để xe chạy theo đúng với tốc độ yêu cầu của chu trình thì ta cần một khối điều khiển lái (Driver) để điều chỉnh tốc độ xe cho phù hợp.
44 Trong khối Driver là một bộ điều khiển PID với hai tín hiệu đầu vào là tốc độ mong muốn của chu trình và tốc độ phản hồi của xe. Độ sai số ở đây sẽ bằng hiệu của tốc độ chu trình và tốc độ xe, sau đó sai số này sẽ đi qua bộ điều khiển PID để giảm tối đa sai số bằng cách điều khiển giá trị đầu vào. Ở mô phỏng này ta chỉ sử dụng điều khiển PI với hai thông số:
Kp = 1.3305810042541. Ki = 0.147283365951819.
Sau khi sai số được giảm, ta dùng khối Saturation với mục đích để tách tín hiệu, nếu giá trị tốc độ xe phản hồi nhỏ hơn tốc độ xe chu trình mong muốn thì sẽ xuất ra tín hiệu bướm ga cần thiết để giúp tốc độ xe đạt được tốc độ yêu cầu của chu trình. Ngược lại, nếu giá trị phản hồi tốc độ xe lớn hơn tốc độ chu trình thì sẽ xuất ra tín hiệu phanh cần thiết để giảm tốc độ xe cho phù hợp với yêu cầu của chu trình, bởi đây là giá trị âm nên ta dùng khối Abs để lấy giá trị tuyệt đối.
45
Chương 4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH 4.1. Trường hợp mô phỏng dòng truyền công suất hộp số U340E.
Chạy mô phỏng hộp số tự động U340E trong vòng 30 giây, với tín hiệu đầu vào cố