2.2. Hệ thống truyền lực trên ô tô
2.2.1. HTTL cơ khí có cấp
Trong HTTL cơ khí có cấp tỷ số truyền lớn nhất theo yêu cầu iA, max được xác định bởi điều kiện vượt qua các điều kiện xấu của đường. Điều kiện đạt được vận tốc lớn nhất theo yêu cầu và hoạt động ở dải hiệu suất sử dụng nhiên liệu cao nhất của động cơ cho ta một khái niệm đó là tỷ số truyền ở vận tốc lớn nhất của xe iA(vmax, th).
42
Tỷ số truyền nhỏ nhất của hệ thống truyền lực iA, min được xác định bởi điều kiện ba.
Hình 2.6 thể hiện sự thay đổi tốc độ của đầu ra hộp số ứng với tốc độ vòng quay động cơ. Dải tốc độ vòng quay động cơ (tốc độ sơ cấp) được thay đổi bởi hộp số để thành dải tốc độ thứ cấp. Phạm vi hoạt động nằm giữa các giới hạn tỷ số truyền.
Hình 2.6. Biểu đồ vận tốc/tốc độ động cơ, tỷ số truyền hộp số
Tỷ số truyền của hộp số lớn là yêu cầu đặc biệt quan trọng đối với ô tô cỡ lớn cùng với động cơ công suất lớn và hệ số cản khí động thấp, cần:
- Tỷ số truyền mô men lớn iA, max để vượt chướng ngại vật và tăng tốc,
- Tỷ số truyền nhỏ nhất thấp iA, min để chỉ cần tốc độ động cơ thấp khi chạy trên đường cao tốc nhằm giảm mức tiêu thụ nhiên liệu.
2.2.1.1. Tỷ số truyền của hộp số
Tỷ số truyền của hộp số, thường được quy vào tỉ lệ của các tỷ số, là tỉ lệ giữa tỷ số truyền cao nhất và tỷ số truyền thấp nhất iG, tot = iG, max/iG, min = i1/iz với các số từ 1 đến z.
Tỷ số truyền của hộp số phụ thuộc vào:
- Công suất riêng ở đầu ra của xe (Pmax/(mF + mpayload) đơn vị kW/t, - Tỷ số truyền của động cơ, và mục đích sử dụng.
Những xe có công suất riêng ở đầu ra thấp, ví dụ như các xe chở hàng, cần có tỷ số truyền của hộp số lớn hơn. Cũng áp dụng như vậy đối với xe lắp động cơ
iA, min
iA, max
Tốc độ
®Çu ra hép sè
Tốc độ động cơ
min max
Vận tốc ô tô v
43
diesel là những xe có khoảng biến thiên tốc độ động cơ hẹp. Các giá trị tham khảo của tỷ số truyền hộp số cho các dòng xe khác nhau được thể hiện ở trên hình 2.7
Hình 2.7. Các giá trị tham khảo của tỷ số truyền hộp số với những dạng xe khác nhau. Trong trường hợp hộp số tự đụng, hệ số chuyển đổi của bộ biến mụ (àmax ≈ 2-
3) sẽ được tính thêm vào.
Riêng với các loại ô tô con, cần quan tâm đến:
- Tuy tỷ số truyền của hộp số lớn nhưng hộp số chỉ có thể di chuyển điểm làm việc trên đường đặc tính công suất yêu cầu. Không thể khai thác sử dụng được vùng làm việc với hiệu suất tiêu thụ nhiên liệu tốt nhất cho xe con với công suất lớn nhất của động cơ quanh khu vực tốc độ trung bình của động cơ mà từ đó có khái niệm
“công suất động cơ không đủ theo yêu cầu”. Động cơ và tất cả các cụm của hệ thống truyền lực phải kết hợp thành một hệ thống động lực hoàn chỉnh.
- Số truyền tăng (iG < 1,0) dẫn đến giảm hiệu suất truyền động.
2.2.1.2. Lựa chọn tỷ số truyền lớn nhất của hệ thống truyền lực
Yêu cầu lực kéo lớn nhất phải được biết để xác định tỷ số truyền của hộp số sao cho mômen được nhân lên với tỷ lệ lớn nhất. Giới hạn bám - lực lớn nhất có thể truyền được từ bánh xe xuống mặt đường - là giới hạn tự nhiên và được xác định
Xe tải > 16t
Xe tải < 16t
Xe khá ch đu ờng dài Xe con vớ i lụa chọn gia tốc và tiê u hao NL
Xe con, động cơ diesel; xe chở xe
Xe con, số tự động Xe buýt, số tự động
Xe con, động cơ đá nh lửa
0 2 4 6 8 10 11 12 14 16
Tuơng lai
Tỷ số truyền iG, tot
44
bằng thực nghiệm khi xác định lực kéo FZ, A tại điểm tiếp xúc với mặt đường của bánh xe.
FZ, A ≤ FZ, max = àH R (2.4) Hệ số bỏm àH sẽ khỏc nhau trong một số trường hợp cụ thể. Lực cản khụng khí có thể bỏ qua trong trường hợp vận tốc nhỏ ở tay số thấp nhất. Tại những bánh xe chủ động, sự cân bằng phải được nhằm vào những yêu cầu tối đa của gia tốc, độ dốc, bề mặt đường, tải trọng và tải trọng của rơmoóc:
Lực kéo lớn nhất có thể phát huy được FZ, A = lực kéo lớn nhất yêu cầu:
TM, max iA, max ηtot 1/rdyn = mF g (fR cosαSt + sinαSt) + mF λ a (2.5)
Tỷ số truyền lớn nhất iA, max, thường gọi là tỷ số truyền mômen phụ thuộc vào công suất riêng của (kW/t) phương tiện. Hai điều kiện được quan tâm:
- Độ dốc lớn nhất mà xe có thể vượt được với gia tốc bằng 0 m/s2 - Gia tốc lớn nhất trên đường bằng phẳng
Tỷ số truyền mômen của xe con và xe tải được thiết kế theo công thức 2.6 iA, max = rdyn mF g (fR cosαSt + sinαSt)/(TM, max ηtot) (2.6)
Bán kính động học của bánh xe rdyn của hầu hết các cỡ lốp thông thường đều được xác định. Giá trị tham khảo của rdyn là xấp xỉ 0,3 m đối với xe con và xấp xỉ 0,5 m đối với xe tải. Giá trị tham khảo đối với hệ số cản lăn fR cũng được xác định.
Độ dốc tham khảo q’max lớn hơn 50% thường được áp dụng đối với xe con ở trạng thái không tải. Điều này đảm bảo rằng có thể kéo theo một rơmoóc và vượt qua những dốc cao một cách dễ dàng.
Khả năng tăng tốc phụ thuộc không chỉ vào tỷ số truyền mômen mà còn phụ thuộc đáng kể vào mức độ tiệm cận của các tay số với đồ thị đặc tính kéo. Yêu cầu về khả năng tăng tốc phụ thuộc rất nhiều vào thương hiệu của xe.
Tỷ số truyền lớn nhất của xe tải thường được xác định bởi mục đích sử dụng của xe. Ví dụ, những xe phục vụ trong công trường xây dựng và các xe quét đường có hộp số ứng với sự di chuyển chậm (vcrawl). Sử dụng quan hệ động học:
v = ωW rdyn, (2.7)
số chậm của xe tải được tính bởi công thức:
45
iA, max = 3,6 (π/30) nM, min [1/phút] rdyn [m]/vcrawl [km/h] (2.8) Ở đây nM, min có đơn vị là 1/phút, rdyn có đơn vị là m và vcrawl có đơn vị là km/h.
Những tỷ số truyền rất cao này được biết đến là những số cực thấp.
2.2.1.3. Lựa chọn tỷ số truyền nhỏ nhất của hệ thống truyền lực
Thừa nhận rằng không có sự trượt trong sự truyền công suất từ bánh xe xuống mặt đường và trên danh nghĩa rằng tốc độ lớn nhất của xe đạt được ứng với số vòng quay lớn nhất của trục khuỷu động cơ thì tỷ số truyền nhỏ nhất của hệ thống truyền lực được tính theo công thức:
iA, min = 3,6 (π/30) nM, max [1/phút] rdyn [m]/ vmax [km/h] (2.9) ở đây nM, max có đơn vị là 1/phút, rdyn có đơn vị là m và vmax có đơn vị là km/h.
Với ô tô tải: Giới hạn về tốc độ tối đa của luật giao thông và việc hạn chế tốc độ động cơ của động cơ diesel đồng nghĩa với việc tốc độ tối đa của xe sẽ là một thông số thiết kế khi nghiên cứu phát triển hệ thống truyền lực của ô tô tải. Dải thiết kế cho ô tô tải của châu Âu xuất phát từ tốc độ lớn nhất cho phép vmax được thể hiện trên hình 2.8.
Với ô tô con: Có nhiều yếu tố được quan tâm khi lựa chọn tỷ số truyền nhỏ nhất. Một trong những yếu tố này là tỷ lệ sử dụng ở tay số cao nhất của ô tô con là khá cao, thường trên 80% tổng thời gian sử dụng. Phụ thuộc vào kiểu loại thiết kế được lựa chọn, sự khác biệt được thực hiện giữa các yếu tố sau:
1/ vmax - thiết kế tối ưu: iA, min = iA(vmax, th), 2/ Thiết kế vượt quá số vòng quay
3/ Thiết kế dưới số vòng quay
46
Hình 2.8 – Những tốc độ thiết kế xác định iA, min cho hệ thống truyền lực của những dòng xe vận tải. Tốc độ tối đa tham khảo của Đức
* Thiết kế tối ưu (sử dụng tối ưu công suất động cơ)
Để sử dụng công suất lớn nhất của động cơ có hiệu quả nhất, đường cong công suất yêu cầu PZ, B phải cắt qua điểm ứng với công suất hữu ích lớn nhất của động cơ PZ, Amax (= Pn). Điểm này được gọi là điểm thiết kế A, hình 2.9. Nó tương ứng với vận tốc lớn nhất theo lý thuyết (độ dốc = 0%, không có gió). Gia tốc dự trữ và tiêu hao nhiên liệu ở tay số cao nhất cũng là những yếu tố quan trọng trong truyền động của ô tô con. Phần công suất dư PZ, Ex xác định mức dự trữ gia tốc và số vòng quay động cơ nM tương ứng như là thước đo cho mức tiêu hao nhiên liệu.
* Thiết kế vượt quá số vòng quay
Công suất hữu ích và công suất cản cắt nhau tại phía dốc xuống của đường cong công suất PZ, A như trên hình 2.9, điểm B. Vận tốc vmax2 được xác định từ điểm này với thiết kế số vòng quay lớn nhỏ hơn so với vmax, th. Tỷ số truyền của hệ thống truyền lực iA2, min lớn hơn iA1, min = iA (vmax, th). Điều này nhận được bởi sự tăng lên của tỷ số truyền của tay số cao nhất iz hoặc của tỷ số truyền cuối cùng iE. Khi tốc độ vòng quay động cơ cao hơn so với tốc độ định sẵn trên đường, điểm hoạt động dịch chuyển đến vùng có suất tiêu hao nhiên liệu lớn hơn. Mức độ dư thừa công suất lớn PZ, Ex2 làm cho thiết kế này phù hợp hơn với những dòng xe thể thao.
47
Hình 2.9. Lựa chọn tỷ số truyền cao nhất của ô tô con. Mức độ vượt quá và tốc độ động cơ liên quan được chọn ở vận tốc 170 km/h. Thiết kế: 1/tại vmax, th; 2/vượt quá
số vòng quay; 3/dưới số vòng quay
* Thiết kế dưới số vòng quay
Công suất hữu ích và công suất cản cắt nhau tại khu vực đang tăng lên của đường cong công suất hữu ích, điểm C. Trong trường hợp này tỷ số truyền của hệ thống truyền lực iA3, min nhỏ hơn iA(vmax, th). Sự giảm tốc độ động cơ là đặc điểm quan trọng của thiết kế này. Điểm hoạt động di chuyển đến vùng làm việc có suất tiêu hao nhiên liệu thấp hơn. Có một số phương pháp tiếp cận khác nhau nhằm giảm tỷ số truyền của hệ thống truyền lực trong thiết kế dưới số vòng quay như sau:
- Tăng tỷ số truyền của hộp số trong khi vẫn giữ nguyên số cấp số (Hình 2.10b), - Giảm tỷ số truyền của truyền lực chính (“thiết kế trục dài” - Hình 2.10c) - Tăng tỷ số truyền của hộp số bằng cách tăng số cấp số - số truyền tăng - (Hình 2.10d).
48 -
Hình 2.10 – Lựa chọn các tỷ số truyền của hệ thống truyền lực dưới số vòng quay để tăng tính kinh tế nhiên liệu. Điểm bắt đầu: Hình 4.10a
2.2.1.4. Tỷ số truyền lực chính
Tỷ số truyền của truyền lực chính iE được lựa chọn sao cho thích ứng với những đặc điểm nghiên cứu và suất tiêu hao nhiên liệu theo các chức năng mong đợi và nó đặc biệt quan trọng đối với các loại xe dùng trong vận chuyển thương mại. Ví dụ những xe tải và xe khách hoạt động hầu như trên các địa hình bằng phẳng sẽ được lắp ráp với những kiểu “thiết kế trục dài” (tỷ số truyền của truyền lực chính nhỏ) nhiều hơn so với những loại xe tương tự nhưng hoạt động chủ yếu trên các vùng đồi núi. Thiết kế trục dài (iE, long < iE, normal) sẽ giảm tốc độ động cơ khi di chuyển ở tốc độ bình thường và cũng giảm mức độ dư thừa lực kéo trong tất cả các
49
tay số (Hình 2.10c). Tỷ số truyền của truyền lực chính có thể nằm trong khoảng từ 2
≤ iE ≤ 7. Các tỷ số lớn hơn đạt được nhờ một cấp tỷ số truyền nữa thêm vào ở truyền lực cuối cùng.
2.2.1.5. Lựa chọn những tỷ số truyền tức thời
Mối quan hệ giữa tỷ số truyền của 2 tay số liền kề nhau, gọi là bước số ϕ, được cho bởi công thức:
ϕ = in-1/in ≤ nmax/n(Tmax) (2.10)
Sự phân chia các tay số nên đủ lớn để có thể ăn khớp được (sang số) tay số thấp hơn (n - 1) khi mômen lớn nhất của động cơ đạt được ở tay số n mà không vượt quá tốc độ quay lớn nhất cho phép của động cơ nmax (Hình 2.11). Những khía cạnh sau đây cần được quan tâm khi lựa chọn tỷ số truyền các tay số:
- Số lượng các cấp số của hộp số càng nhiều thì động cơ càng tận dụng được hiệu suất của nó bằng cách tiệm cận được với đường đặc tính kéo. Nhưng với số lượng các tay số tăng đồng nghĩa với việc phải thao tác nhiều khi điều khiển sang số và khối lượng cũng như kích thước của hộp số sẽ tăng lên.
- Tỷ lệ quãng đường sử dụng những tay số thấp nhỏ, đặc biệt đối với ô tô con.
- Tỷ lệ sử dụng mỗi tay số phụ thuộc vào công suất riêng (kW/t), biên dạng đường, điều kiện giao thông và thói quen điều khiển xe của mỗi người.
- Bước số ϕ càng nhỏ thì càng dễ và nhẹ nhàng trong quá trình sang số.
- Nhiệt độ của các vòng đồng tốc tỷ lệ với bình phương của bước số
Bởi vì những khía cạnh trái ngược này, sự hài hòa trong thiết kế hộp số phải được thực hiện.Hai hình thức dùng trong tính toán bước số được chứng minh là có hiệu quả trong thực tế đó là:
- Bước số theo cấp số nhân.
- Bước số theo cấp số tiến điều hòa.
* Đồ thị dạng răng cưa:
Đồ thị vận tốc/tốc độ vòng quay động cơ đưa ra một cách nhìn tổng quát về cấu hình phù hợp của các tỷ số truyền của hộp số. Nó thường được nhắc đến như là
50
một sơ đồ hộp số hay đồ thị răng cưa, và chính là đồ thị phụ thuộc giữa vận tốc dài và tốc độ động cơ ở mỗi tay số n, với n từ 1 đến z.
Hình 2.11 thể hiện đồ thị vận tốc/số vòng quay động cơ của xe buýt với hộp số 8 cấp số ở 2 dải tốc độ. Hộp số có bước số dạng cấp số nhân.
Hình 2.11. Đồ thị vận tốc/tốc độ động cơ của xe buýt 8 số 2 dải truyền lực. Tốc độ lớn nhất trên đường trong dải tốc độ hạn chế của động cơ diesel
Tốc độ lớn nhất đạt được ở tay số 8 trong dải hạn chế của động cơ diesel. Đồ thị
răng cưa chỉ ra thời điểm sớm nhất tăng số có thể khi không cần dừng máy và thời điểm sớm nhất về số có thể mà không cần vượt quá tốc độ lớn nhất của động cơ.
* Các bước số theo cấp số nhân:
Trong thiết kế cấp số nhân các bước số ϕ giữa các số luôn luôn có một giá trị bằng nhau theo công thức:
z 1 ,
th iG tot
ϕ = − (2.11) Tỷ số truyền của các tay số n từ 1 đến z được tính bằng công thức:
in = izϕth(z n− ) (2.12)
51
Trong thực tế bước số ϕth biến thiên rất nhỏ (hình 2.11). Mức độ gần đúng với đường cong đặc tính kéo FZ, Ae là như nhau đối với tất cả các tay số (hình 2.12a). Sự khác nhau về vận tốc tối đa của xe giữa các tay số vì vậy tăng lên mỗi khi chuyển sang số cao hơn. Bước số theo cấp số nhân rất phổ biến ở những hộp số của dòng xe chở hàng; với công suất riêng đầu ra thấp hơn nghĩa là tất cả các bước số đều có tầm quan trọng như nhau. Dạng truyền động (hình 2.11) phải là dạng cấp số nhân để tất cả các bước số có cùng kích cỡ, đề phòng việc trùng lặp giữa các số truyền.
* Các bước số theo cấp số tiến tăng dần:
Chọn tỷ số truyền các tay số theo cấp số tiến tăng dần thường được dùng cho hệ truyền lực của ô tô con. Tay số càng cao thì bước số càng nhỏ. Hình 2.12b thể hiện hệ truyền lực theo cấp số tiến tăng dần bằng đồ thị giữa lực kéo và vận tốc (tốc độ động cơ) (đồ thị răng cưa). Nó chỉ ra một cách rõ ràng sự khác nhau giữa những phần nhấp nhô còn sót lại ở những tay số cao của loại cấp số tiến tăng dần. Trên đồ thị lực kéo, khoảng cách giữa đường cong đặc tính kéo hữu ích và khả năng kéo thực tế được giảm dần ở những tay số cao. Trong dải tốc độ của ô tô con, điều này được phản ánh bằng việc cải thiện khả năng sang số (bước số ϕ nhỏ) và cải thiện khả năng tăng tốc. Mức độ vượt quá công suất thực tế trong dải tốc độ thấp của ô tô con nghĩa là những khoảng cách lớn của khả năng kéo thực tế là chấp nhận được.
Tỷ số truyền tổng của hộp số iG, tot và hệ số cấp số lựa chọn là ϕ2, tỷ số thay đổi cơ sở của các tỷ số truyền được tính theo công thức:
1 1 0,5( 1)( 2) , 2
1
z z z iG tot
ϕ = − ϕ − − (2.13)
Tỷ số truyền in với n chạy từ 1 đến z được tính theo công thức:
in = izϕ1(z n− )ϕ20,5(z n z n− )( − −1) (2.14) Các giá trị đặc trưng: ϕ1 = 1,1 đến 1,7; ϕ2 = 1,0 đến 1,2
52
Hình 2.12 – Các bước số. Ảnh hưởng của đồ thị lực kéo và đồ thị vận tốc/tốc độ động cơ (đồ thị răng cưa). a)Bước số theo cấp số nhân;b) Bước số theo cấp số tiến
tăng dần
Phương pháp tính toán trên cho ta những giá trị ban đầu dùng để lựa chọn các tỷ số
truyền. Tỷ số truyền của hộp số cần phải được làm cho phù hợp với ô tô thông qua quá
trình điều chỉnh bao gồm kiểm tra trên băng thử, chạy thử trên đường và mô phỏng trên máy tính với các điều kiện thử. Các thử nghiệm khác và các điều kiện thử được chấp nhận như mức tiêu hao nhiên liệu và nồng độ khí xả có thể cũng là những trường hợp riêng quan trọng của quá trình thử. Bảng 2.1 cho ta một ví dụ của thiết kế truyền động ô tô con. Hệ số cấp số là ϕ2 = 1,1 và tỷ số truyền cơ sở là ϕ1 = 1,24