Mức Vào số D Số 5 v>v4x1 Số 4 v>v3x1 Số 3 v>v2x1 Số 2 v>v1x1 Số 1 đúng đúng đúng sai sai Mức ga<x2 Số 5 sai … sai đúng sai đúng đúng v>v4x2 Số 4 đúng sai v>v3x2 đúng Số 3 v>v2x2 sai Số 2 v>v1x2 đúng sai Số 1 đúng Mức ga<xn Số 5 v>v4xn Số 4 v>v3xn Số 3 v>v2xn Số 2 v>v1x2 đúng Số 1 đúng đúng sai đúng đúng sai sai sai sai sai Bắt đầu
Hình 3.4: Sơ đồ thời điểm sang số
Hình 3.6: Sơ đồ giá trị K-factor và tỉ số momen xoắn
3.2 Sử dụng Simscape trong mô phỏng xe Fortuner với hệ thống sang số tự động
Hình 3.7: Mơ hình lý thuyết
Ở đây chúng ta dùng các khối vật lý có sẵn bên trong thư viện Simscape để thực hiện mô phỏng vật lý mơ hình. Mơ hình trên khái quát lại đường truyền vật lý và mơ hình tổng qt của mơ hình Simscape.
Để thực hiện mơ hình, ta sử dụng các khối mơ phỏng vật lý để mô phỏng lại động cơ và các chi tiết vật lý trên ô tô cũng như là hộp số tự động. Đồng thời ta cũng sử dụng các khối Stateflow để mô phỏng khối Transmission Cotrol Unit như đã làm ở phần mô phỏng hộp số tự động 5 cấp nhưng ở đây ta mô phỏng động cơ Fortuner có 6 cấp số nên mơ hình Stateflow sẽ là mơ hình điều khiển hợp số tự đợng 6 cấp số. Các khối ta sử dụng để mô phỏng:
- Engine:
Được dùng để mô phỏng động cơ đốt trong. Ở đây khối này đại diện cho động cơ.
Hình 3.8: Khối Generic Engine
Các cổng của khối:
Cổng T: Nhận tín hiệu góc mở bướm ga;
Cổng B: Liên kết với khung, vỏ;
Cổng F: Xuất ra tín hiệu của trục khuỷu cụ thể là tốc đợ vịng quay;
Cổng P: Xuất ra công suất ở thời điểm hiện tại;
Cổng FC: Xuất động tiêu hao nhiên liệu của đợng cơ. Các cài đặt của khối:
Hình 3.9: Các cài đặt cơ bản của khối Generic Engine
- Khối Torque Converter:
Khối này có nhiệm vụ biến đổi dịng truyền cơng suất như ở biến mô thuỷ lực trong hợp số tự đợng.
Hình 3.10: Khối Torque Converter
Các cổng của khối:
Cổng I: Mô tả đường truyền công suất được truyền từ động cơ đến bơm;
Cổng T: Mô tả đường truyền công suất từ tuabin đến đầu vào hộp số. Các cài đặt của khối:
Hình 3.11: Các cài đặt cơ bản của khối Torque Converter
- Khối Vehicle Body:
Khối này đại diện cho thân xe. Có nhiệm vụ tính tốn khối lượng thân xe, lực cản khí đợng học, đợ nghiêng của mặt đường và sự phân bố tải trọng lên cầu trước và cầu sau khi xe di chuyển.
Các cổng của khối:
Cổng beta: Nhận tín hiệu đợ nghiêng của mặt đường;
Cổng W: Nhận tín hiệu lực cản khí đợng học;
Cổng H: Nhận chuyển động bám đường của bánh xe;
Cổng NR: Truyền các tín hiệu vật lý của khung xe đến cầu sau;
Cổng NF: Truyền các tín hiệu vật lý của khung xe đến cầu trước;
Cổng V: Xuất ra vận tốc của khung xe. Các cài đặt của khối:
`
Hình 3.13: Các cài đặt cơ bản của khối Vehicle Body
- Khối Tire:
Khối có nhiệm vụ mơ phỏng các đợng lực học của lốp trong quá trình phương tiện đang di chuyển.
Hình 3.14: Khối Tire
Các cổng của khối:
Cổng A: Nhận momen xoắn từ đường truyền;
Cổng N: Nhận các tín hiệu vật lý từ khung xe;
Cổng H: Truyền đi các lực được tạo ra từ bánh xe đến các phần khác;
Cổng S: Xuất các tín hiệu trượt giữa bánh xe và mặt đường. Các cài đặt của khối:
- Khối Differential:
Là một cơ cấu gồm các bánh răng đại diện cho bộ vi sai trên xe.
Hình 3.16: Khối Differential
Các cổng của khối:
Cổng D: Nhận đường truyền vật lý từ trục xe;
Cổng S1, S2: Đường truyền ra đến các bán trục. Các cài đặt của khối:
- Khối Solver Configuration:
Khối này có nhiệm vụ xác định các thơng số của bợ giải mà mơ hình cần trước khi ta bắt đầu mơ phỏng.
Mỗi mơ hình Simscape riêng biệt yêu cầu phải được kết nối với một khối Solver Configuration.
Hình 3.18: Khối Solver Configuration
Các cài đặt của khối:
- Khối Double-Shoe Brake:
Khối đại diện cho phanh tang trống cung momen phanh để giảm momen xoắn trên đường truyền cơng suất.
Hình 3.20: Khối Double-Shoe Brake
Các cổng của khối:
Cổng F: Nhận tín hiệu vật lý lực tác động được truyền đến;
Cổng S: Đầu ra lực phanh. - Khối Planetary Gear:
Mơ tả hệ bánh răng hành tinh.
Hình 3.21: Khối Planetary Gear
Các cổng của khối:
Cổng C: Cổng bảo toàn cơ học liên kết với bộ mang bánh răng hành tinh;
Cổng R: Cổng bảo toàn cơ học liên kết với bánh răng vòng;
- Khối Inertia:
Khối này có nhiệm vụ đại diện cho mợt qn tính tịnh tiến cơ học lý tưởng.
Hình 3.22: Khối Inertia
Các cài đặt của khối:
Hình 3.23: Các cài đặt cơ bản của khối Inertia
Ở những vị trí khác nhau trong sơ đồ thì khối Inertia sẽ có những cài đặt khác nhau. - Khối Disk Friction Clutch:
Đại diện cho một ly hợp ma sát với hai bộ đĩa ma sát tiếp xúc với nhau để ăn khớp.
Các cổng của khối:
Cổng P: Đầu vào tín hiệu vật lý cho áp suất tác đợng lên các đĩa ly hợp;
Cổng B: Liên kết với khung, vỏ;
Cổng F: Cổng bảo toàn quay liên kết với trục dẫn động. - Khối Mechanical Rotational Reference:
Đại diện cho một điểm tham chiếu hoặc khung, vỏ.
Chương 4
QUY TRÌNH THIẾT KẾ
4.1 Mơ hình mơ phỏng động cơ và q trình chuyển số của hộp số tự động cấp số
4.1.1 Mơ hình mơ phỏng
Mơ hình Simulink bao gồm nhiều khối tính tốn nhỏ, mỗi khối có trách nhiệm tính tốn, tượng trưng cho mợt bợ phận: đợng cơ, hộp số tự đợng 5 cấp và xe. Đồng thời có thêm mợt khối để điều khiển tỉ số truyền của xe. Mơ hình sử dụng dữ liệu đầu vào là vị trí bàn đạp chân ga (góc mở bướm ga) và momen phanh (lực phanh).
Hình 4.1: Mơ hình tổng quát
Trong Engine subsystem, khối Lookup Table 2-D có nhiệm vụ nội suy ra momen xoắn của động cơ bằng Ne (tốc đợ của đợng cơ) và Throttle (góc mở của bướm ga) dựa trên Engine torque map (đồ thị momen xoắn của động cơ).
Theo phương trình 1, chúng ta sẽ lấy Te (momen xoắn của đợng cơ) vừa tìm ra bằng khối Lookup Table 2-D trừ đi Ti (momen xoắn của bơm) sau đó chia cho Iei (đợ chênh lệch qn tính) rồi tích phân chúng để có được Ne (tốc đợ đợng cơ).
Hình 4.2: Engine subsystem
Torque converter subsystem sử dụng 2 tham số đầu vào là Nin (tốc độ đầu vào hộp số) và Ne (tốc độ đợng cơ) để tìm hệ số K và RTQ (tỉ số momen xoắn) bằng tỉ số Nin/Ne trong sơ đồ Đường đặc tính của biến mơ. Bình phương tỉ số giữa Ne và K sẽ cho ra Ti (momen xoắn của biến mơ) và tích giữa Ti và RTQ sẽ cho ra Tt (momen xoắn của tuabin).
Hình 4.3: Torque converter subsystem
Khối RTR có nhiệm vụ xác định tỉ số truyền của hộp số bằng cách đối chiếu dữ liệu theo bảng dưới đây sử dụng đầu vào là Gear (số).
Số 1 2 3 4 5
Tỉ số truyền 3,42 2,14 1,45 1,03 0,81
Trong Transmission subsystem, ta sẽ nhân lần lượt tỉ số truyền RTR với Tin (momen xoắn đầu vào hộp số – Tin = Tt) và Nout (tốc đợ đầu ra hợp số) để tìm Tout (momen xoắn đầu ra hộp số) và Nin (tốc độ đầu vào hợp số).
Hình 4.4: Transmission subsystem
Wheel speed subsystem trong Vehicle subsystem có nhiệm vụ đổi đơn vị tốc đợ từ rpm (vịng trên phút) sang mph (dặm trên giờ). Đầu ra của khối này sẽ cho ra tốc đợ đợng cơ.
Hình 4.5: Wheel speed subsystem
Hình 4.6: Mơ hình tính Tload
Trong Vehicle subsystem, dựa theo phương trình 4. Ta lấy hiệu của Tout.Rfd (tỉ lệ của bánh răng cuối) và Tload chia cho Iv sau đó tích phân ta sẽ có được Nw (tốc đợ bánh xe). Lấy tốc độ bánh xe nhân cho Rfd ta sẽ có được Nout (tốc đợ đầu ra hợp số)
Hình 4.7: Vehicle subsystem
4.1.2 Xây dựng mộ hình Stateflow của bộ điều khiển hộp số tự động
Mơ hình cơ chế sang số được thể hiện như hình. Thời điểm chuyển số phụ thuộc vào mức độ mở bướm ga và vận tốc của ô tô. Khi tăng tốc, nếu mức đợ mở bướm ga càng lớn thì thời điểm chuyển số càng muộn (vận tốc của ô tơ càng cao).
Ví dụ:
Thời điểm chuyển từ số 1 lên số 2 được thực hiện ở các điểm:
Nếu đợ mở bướm ga ở mức 10% thì sẽ chuyển từ số 1 lên số 2 khi ô tô đạt vận tốc 10 km/h;
Nếu đợ mở bướm ga ở mức 40% thì sẽ chuyển từ số 1 lên số 2 khi ô tô đạt vận tốc 15 km/h;
Nếu đợ mở bướm ga ở mức 80% thì sẽ chuyển từ số 1 lên số 2 khi ô tô đạt vận tốc 33 km/h.
Thời điểm chuyển số từ số 2 về số 1 được thực hiện tại các điểm:
Nếu độ mở bướm ga ở mức 80% thì sẽ chuyển từ số 2 về số 1 khi ô tô giảm vận tốc xuống dưới mức 30 km/h;
Nếu đợ mở bướm ga ở mức 60% thì sẽ chuyển từ số 2 về số 1 khi ô tô giảm vận tốc xuống dưới mức 15 km/h.
Tuỳ từng mức độ mở của bướm ga và vận tốc của xe mà hệ thống sẽ đưa ra quyết định lên số, xuống số phù hợp. Với trường hợp mức độ mở bướm ga khác các giá trị trên thì thời điểm chuyển số được nợi suy theo sơ đồ chuyển số như hình.
Thời điểm chuyển số lên số và ngược lại được thực hiện theo quy luật tương tự, được thể hiện trên sơ đồ chuyển số.
Sử dụng Stateflow để mơ phỏng q trình chuyển số:
Khối Gear bao gồm 2 State gear_state (trạng thái của số) và selection_state (trạng thái chọn số).
Hình 4.8: Mơ hình Stateflow q trình chuyển số
State gear_state là state chứa các state con mang dữ liệu sang số. Các state con này được gán các lệnh để xuất ra dữ liệu về số khi điều kiện đúng hoặc khi các sự kiện kích hoạt nó xảy ra. Ở đây ta mô phỏng hệ thống sang số tự động 5 cấp nên trong state này sẽ chứa 5 state con.
Hình 4.9: State gear_state
Ví dụ:
“lenso12” là một sự kiện và khi sự kiện này xảy ra thì nó sẽ chuyển trạng thái từ state con “so1” sang state con “so2”.
State selection_state chứa các sự kiện và các điều kiện để kích hoạt chúng.
Hình 4.10: State selection_state
Ví dụ:
Ban đầu ta ở State ONDINH khi chương trình bắt đầu chạy, hệ thống sẽ thực hiện so sánh vận tốc của xe với các ngưỡng tốc đợ có sẵn để quyết định xe sẽ xuống số hay lên số. Sự kiện “xuongso21” sẽ được thực hiện nếu hệ thống xác nhận đủ điều kiện để xuống số đồng thời điều kiện gear == 2 là đúng.
Khối Simulink Function dùng để nhập vào các thông số cần thiết cho việc chuyển số và cho ra kết quả phù hợp. Với đầu vào là độ mở bướm ga và vận tốc của xe, khối sẽ xuất ra dữ liệu là vận tốc ngưỡng up_threshold hay dn_threshold để so sánh xác nhận xe sẽ xuống hay lên số.
Hai khối 2-D Lookup Table có nhiệm vụ nhận dữ liệu đầu vào là góc mở bướm ga và vận tốc của xe để nội suy cho ra up_threshold và dn_threshold phù hợp.
Hình 4.12: Mơ hình khối Simulink function
Dữ liệu của bảng lên số:
Bảng 4.2: Bảng lên số
Dữ liệu bảng xuống số:
Bảng khai báo dữ liệu bên trong Chart
Hình 4.13: Khai báo dữ liệu bên trong Chart
4.2 Mơ hình mơ phỏng xe Fortuner với hệ thống sang số tự động 6 cấp số 4.2.1 Mơ hình mơ phỏng
Mơ hình Simscape bao gồm nhiều khối mơ phỏng vật lý, mỗi khối có các cơng thức tính tốn có sẵn, sử dụng các thông số thực tế để tượng trưng cho một bộ phận: động cơ, hộp số tự đợng 6 cấp và xe. Đồng thời có thêm mợt khối Stateflow để mơ phỏng bợ điều khiển chuyển số. Mơ hình sử dụng dữ liệu đầu vào là vị trí bàn đạp chân ga (góc mở bướm ga) và momen phanh (lực phanh).
Khối Generic Engine dùng để mô phỏng động cơ đốt trong (động cơ xăng hoặc diesel có thể tuỳ chọn bên trong hộp thoại của khối). Sử dụng thông số đầu vào (cổng T) là góc mở bướm ga để cho ra (cổng F) là tốc độ trục khuỷu động cơ. Cổng B được nối với khối Mechanical Rotational Reference tượng trưng cho vỏ động cơ.
Khối Torque Converter mô phỏng biến mô.
Khối Control Unit dùng để mô phỏng hợp số tự đợng.
Ở đây ta có các Subsystem để điều khiển các chế độ số cho xe và để tính lực ép cho các ly hợp và phanh bên trong hợp số.
Khối Switch sẽ nhận tín hiệu Gear để xuất ra tín hiệu điều khiển lực ép các cặp ly hợp bên trong hộp số tự động.
Các khối Constant sẽ chứa các tín hiệu nhị phân sẽ được khối Switch chọn để gửi tín hiệu đến Subsystem tiếp theo.
Hình 4.16: Subsystem điều chỉnh chế đợ số
Hình 4.18: Mơ hình hợp số sử dụng cơ cấu bánh răng hành tinh
Ở mơ hình này ta có các khối Clutch mô phỏng các ly hợp bên trong hộp số tự đợng. Các khối From sẽ chuyển tính hiệu là lực ép để tác động lên các ly hợp. Các khối Planetary Gear sẽ mô phỏng hệ các bánh răng mặt trời. Các khối Clutch được nối vào khối Mechanical Rotational Reference sẽ bó cứng các cặp bánh răng khi ta
ép ly hợp, còn các khối Clutch được nối vào cổng IN sẽ xoay đồng tốc với đầu vào hộp số khi ta ép ly hợp. Mỗi số sẽ có mợt cặp ly hợp và phanh được kích hoạt để điều chỉnh các tỷ số truyền khác nhau trong hộp số và xuất ra cổng OUT.
Khối Body sẽ mô phỏng phần khung và bánh xe để cho ra thông số cuối cùng là tốc độ của xe.
Hình 4.19: Mơ hình khối Body
Trong mơ hình này, khối Double-Shoe Brake mô phỏng cho phanh bằng cách nhận
tác động vật lý được truyền đến phanh bằng cổng F và xuất ra lực phanh tác động ra cổng S. Ở đây để đơn giản hố mơ hình ta gắn khối này trực tiếp vào đường truyền từ hộp số.
Các khối Differential mô phỏng các vi sai để phân bố momen từ đường truyền từ hợp số ra các bán trục có bánh xe.
Khối Tire mô phỏng bánh xe với cổng A nhận momen được phân chia từ các vi sai. Cổng N nhận các tác động vật lý được truyền đến từ khung xe. Cổng H dùng để gửi tín hiệu các chuyển động xoay không trượt của bánh xe đến phần khung xe. Cổng S để xuất tín hiệu trượt của xe so với mặt đường nhưng ở đây ta dùng tín hiệu này.
Khối Vehicle Body mơ phỏng khung xe để nhận thông tin về khối lượng của xe, các tác động vật lý như độ dốc xe (beta) và lực cản gió (W), tính tốn trọng tâm của xe trong quá trình xe di chuyển để điều chỉnh lực ép lên các cầu trước và cầu sau. Sau khi được tính tốn các tín hiệu đó được tổng hợp và chuyển đến cầu trước và cầu sau qua các cổng NF và NR. Cổng H dùng để nhận tín hiệu chuyển đợng của bánh xe và chuyển đợng ngang của khung xe để tính vận tốc của cả hệ. Cổng V là cổng cho ra vận tốc của xe.
Đến đây ta đã có tín hiệu tốc đợ đợng cơ là kết quả của mơ phỏng. Ta lại sử dụng tín hiệu này để chuyển về khối Stateflow để tính tốn việc chuyển số.
4.2.2 Xây dựng mộ hình Stateflow của bộ điều khiển hộp số tự động