CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ TIÊU HAO NHIÊN LIỆU Ô TÔ
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ TIÊU HAO NHIÊN LIỆU Ô TÔ
2.2. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN TIÊU HAO NHIÊN LIỆU Ô TÔ
2.2.4. Ảnh hưởng của hộp số vô cấp đến tiêu hao nhiên liệu ô tô
2.2.4.1. Giới thiệu chung về hộp số tự động AT nói chung và hộp số vô cấp CVT nói riêng
Cùng với sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật, cũng như công nghệ thông tin mà ngành ô tô cũng phát triển không ngừng. Hiện nay yêu cầu về tính năng oan toàn, tiện nghi, tiết kiệm nhiên liệu, thao tác đơn giản cho một chiếc xe là những yếu tố được các nhà sản xuất ô tô quan tâm hàng đầu. Vì vậy điều khiển tự động hệ thống truyền lực trên ô tô cũng mang tính đột phá. Hộp số được đặt trong hệ thống truyền lực của ô tô nhằm đảm bảo khả năng khắc phục lực cản của mặt đường luôn
thay đổi trong các điều kiện chuyển động khác nhau. Hộp số điều khiển tự động hóa kiểu biến mô sử dụng trên ô tô được phân thành hai loại như: hộp số tự động AT và hộp số vô cấp CVT.
a) Hộp số tự động AT
Thao tác chọn số và thay đổi tỷ số truyền được thực hiện tự động hóa nhờ mô đun điều khiển hộp số điện tử ECT, thông thường mô đun ECT được tích hợp trong mô đun điều khiển động cơ ECM. Trên xe trang bị hộp số AT không có ly hợp cơ khí mà thay vào đó là biến mô men thủy lực, do vậy đặc trưng trên các xe trang bị hộp số AT là không có bàn đạp ly hợp. Thao tác chọn số bao gồm: cần chọn số (công tắc các số P, R, N, D) và vị trí bàn đạp ga. Hộp số AT cũng sử dụng các cặp bánh răng ăn khớp với nhau, nhưng thực hiện đồng tốc giữa chúng khi thay đổi số truyền là rất phức tạp. Do vậy, ngày nay hộp số AT sử dụng cơ cấu bánh răng hành tinh rất phổ biến, cho phép sang số dễ dàng, nhanh chóng, tỷ số truyền lớn, nhược điểm là kết cấu phức tạp, giá thành cao hơn hộp số MT. Hiện nay các xe trang bị hộp số AT thường có 4,5,6,7 và 8 cấp tốc độ, trong tương lai sẽ phát triển các cấp số cao hơn nữa. Hình 2. 9 là sơ đồ nguyên lý hộp số tự động AT sử dụng biến mô thủy lực và bộ truyền bánh răng hành tinh.
Hình 2. 9. Sơ đồ nguyên lý hộp số tự động AT kiểu cơ cấu hành tinh.
b) Hộp số vô cấp CVT
Cũng tương tự như hộp số AT, trên xe trang bi hộp số vô cấp CVT, thao tác chọn số và thay đổi tỷ số truyền được thực hiện tự động nhờ mô đun điều khiển hộp số điện tử ECT, mô đun này cũng được tích hợp vào mô đun điều khiển động cơ ECM. Về cơ bản thì hộp số vô cấp CVT cũng tương tự với hộp số AT; cũng bao gồm biến mô men thủy lực và một hệ hành tinh.
Hình 2. 10 là một hệ hành tinh có cấu trúc đặc biệt kiểu Ravigneaux; có chung một vành răng bao Zb và cần dẫn C nhưng có hai dãy bánh răng hành tinh: bánh răng
hành tinh ngắn bên trong có số răng Zh1, và bánh răng hành tinh dài bên ngoài có số răng Zh2 ăn khớp với nhau; cùng với hai dãy hành tinh là hai bánh răng trung tâm (có số răng Za1, Za2) đặt trên hai trục phân biệt nhau.
Hình 2. 10. Sơ đồ nguyên lý hộp số vô cấp CVT.
Với cấu trúc Hình 2. 10 có thể cho ra 4 cấp số tiến và một cấp số lùi như trình bày trên
Bảng 2. 1 Tuy nhiên với cấu trúc như Hình 2. 10 thì hệ hành tinh chỉ để đảm nhận số lùi là chủ yếu khi thực hiện phanh vành răng bao (ωb = 0) và giá trị tỷ số truyền số lùi lúc này được xác định bằng:
i! =𝜔!"#
𝜔!" =𝜔!!
𝜔! = − 𝑍!
𝑍!!+1 (2. 26)
Trong đó Zb số răng của vành răng bao; Za1 là số răng của bánh răng trung tâm nhỏ.
Ngoài ra, để tăng khả năng khởi hành tốt, số thấp cũng được thiết kế khi thực hiện phanh bánh răng trung tâm lớn (ωa2 = 0) và giá trị tỷ số truyền số thấp lúc này được xác định bằng:
i! =𝜔!"#
𝜔!" =𝜔!!
𝜔! =𝑍!!
𝑍!!+1 (2. 27)
Ngoài hai trường hợp trên, xe thường xuyên làm việc với hệ hành tinh được khóa bằng cách đóng ly hợp để nối hai bánh răng trung tâm lại với nhau; tức là ta có tỷ số truyền qua hệ hành tinh bằng 1 (iH≡ 1).
Bảng 2. 1. Khả năng làm việc của hệ hành tinh có cấu trúc kiểu Ravigneaux.
Cấp số
Trạng thái khâu Công thức tính tỷ số truyền
Phạm vi áp dụng Vào Ra Khoá
ra
i vao
ω
=ω Giá trị i
1 Za1 Zb C
1 1
a b b
a
Z
= Z ω
ω i > 2
Số truyền giảm tốc
chậm 2 Za1 Zb Za2
b a
b b
a a a
b b a
Z Z
Z Z
Z Z Z
Z
+ +
⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛
= +
2 2
2 1
1
ω
ω 1<i<2 Số truyền
giảm tốc 3 Khóa Za1 với Za2 ωa1 ≡ ωb ≡ ωc ≡ ωa2 iD ≡ 1 Số truyền
thẳng
4 C Zb Za2
b a
b b
c
Z Z
Z
= + ω 2
ω 0,6÷0,8 Số truyền
tăng R Za2 Zb C
2 2
a b b
a
Z
− Z ω =
ω i < - 1 Số lùi
Như vậy, khác với hộp số vô cấp AT, hộp số vô cấp CVT không dùng cơ cấu hành tinh để thay đổi tỷ số truyền của hệ thống truyền lực mà việc thay đổi tỷ số truyền một cách liên tục – vô cấp nhờ bộ truyền động bánh đai và puly có đường kính chủ động và bị động của puly thay đổi được.
Các puly sơ cấp (chủ động) và thứ cấp (bị động) có thể thay đổi được đường kính. Giá trị đường kính này có thể thay đổi trong phạm vi giới hạn bởi đường kính lớn nhất và nhỏ nhất của mỗi puly được xác định bởi chiều dài dây đai không đổi. Khi đường kính puly chủ động giảm xuống thì cho phép đường kính puly bị động tăng lên;
và ngược lại khi đường kính puly chủ động tăng lên thì cho phép đường kính puly bị động giảm xuống. Do đó, sự thay đổi tỷ số truyền diễn ra trong một dải rộng được giới bởi tỷ số truyền lớn nhất và nhỏ nhất được xác định bởi kích thước giới hạn của bánh bị động và bánh chủ động như được cho trên Bảng 2. 2.
Bảng 2. 2. Các thông số cơ bản của truyền động đai xe Toyota Vios R CVT.
Thông số Kí hiệu
Khoảng cách trục A
Chiều dài đai L
Đường kính pu-ly chủ động:
Đường kính nhỏ nhất D1min
Đường kính lớn nhất D1max
Đường kính pu-ly bị động:
Đường kính nhỏ nhất D2min
Đường kính lớn nhất D2max
Công thức truyền động đai Hình 2. 11 như sau:
L = 2. A!.cos !! + D!(!!!)! + D!(!!!)! (2. 28) Trong đó β là góc hợp bởi hai tiếp tuyến với hai đường kính làm việc pu-ly tức là:
Sin(β/2) = !!!.!!!!
! (2. 29)
Hình 2. 11. Sơ đồ truyền động đai của hộp số vô cấp xe Toyota Vios.
2.2.4.2. Ảnh hưởng của hộp số tự động nói chung và vô cấp CVT nói riêng đến tiêu hao nhiên liệu ô tô
Phương trình tiêu hao nhiên liệu (2.25) là phương trình trong tổng quát trong mọi điều kiện chuyển động của ô tô và được nghiên cứu cho ô tô sử dụng hộp số cơ
khí MT. Do vậy khi tính toán và áp dụng cho xe ô tô trạng bị hộp số điều khiển tự động - kiểu biến mô thủy lực thì phương trình (2.25) sẽ có dạng :
Qnl =
!! !!!!! !.!"#!±!"#! !!.!.!!±!!"!"!!
!".!!.!!".!!" (2. 30) Trong đó ηt là hiệu suất của bộ truyền động biến mô thủy lực.
Như vậy, nhìn vào phương trình (2.30) ta thấy tiêu hao nhiên liệu trên ô tô sử dụng hộp số điều khiển tự động kiểu biến mô tỷ lệ nghịch với hiệu suất của biến mô.
Do vậy, để kết luận hộp số điều khiển cơ khí MT là tiết kiệm nhiên liệu hơn so với hộp số tự động AT và CVT sẽ không phù hợp mà còn phải xét đến kết cấu và cơ chế vận hành của hai loại hộp số này.
Hình 2. 12. Bộ truyền cơ cấu hành tinh trong hộp số tự động AT sử dụng biển mô.
Hộp số tự động AT kiểu biến mô sử dụng cơ cấu hành tinh để tự động thay đổi tỷ số truyền bằng cách điều khiển các ly hợp và phanh dải. Hình 2. 12 trình bày sơ đồ kết cấu bộ truyền hành tinh. Quá trình chuyển số trong hộp số AT là có ưu thế hơn so với hộp số điều khiển cơ khí MT như quá trình sang số êm dịu hơn, nhanh chóng hơn nhưng rõ ràng là vẫn chưa thể khắc phục hay triệt tiêu hoàn toàn quá trình tổn thất công suất hay nói cách khác ở hộp số AT vẫn tồn tại tổn thất công suất khi chuyển số..
Hộp số CVT thực hiện viêc thay đổi tỷ số truyền bằng bộ truyền động bánh đai.
được trình bày như Hình 2. 13 Bánh đai chủ động PP được nối với động cơ thông qua bộ truyền biến mô (nối với trục bánh tua bin). Mô men được truyền cho bánh bị động SP thông qua dây đai. Hình mô tả bộ truyền động bánh đai trong hộp số vô cấp CVT.
Tỷ số truyền trong bộ truyền bánh đai được tính theo biểu thức:
Ratio = !!"
!!"# = !!!"#
!"# = !!!"#
!" = !!!"#
!"# (2. 31)
Trong đó:
nin = npri tốc độ bánh chủ động.
nout = ncon tốc độ bánh bị động.
Din = Dpri đường kính bánh chủ động.
Dout = Dsec đường kính bánh bị động.
Hình 2. 13. Bộ truyền động bánh đai – puly.
Như vậy để thay đổi tỷ số truyền ta chỉ cần thay đổi tốc độ hoặc đường kính của các đại lượng đầu vào và đầu ra. Tuỳ theo tải trọng và điều kiện đường sá mà máy tính sẽ tính chọn một tỷ số truyền cũng như tốc độ phù hợp nhất. Ứng với một giá trị bất kỳ của đường kính bánh chủ động sẽ có một giá trị tương ứng đường kính bánh bị động.
Nhờ vậy tỷ số truyền thay đổi trong phạm vi rộng và luôn thay đổi. Nhưng giá trị tỷ số truyền bị giới hạn bởi các giá trị lớn nhất nhất và nhỏ nhất được xác định theo công thức (2.32) và (2.33) như sau:
Ratiomax = !!"#!!"#
!!"!!"# = !!"#!!"#
!!"#!!!" (2. 32)
Ratiomin = !!"#!!"#
!!"!!"# = !!"#!!"#
!!"#!!"# (2. 33)
Trên Hình 2. 14 dưới đây là đồ thị so sánh mối quan hệ tốc độ xe và tốc độ động cơ trên xe trang bị hộp số vô cấp CVT và hộp số tự động AT có 4 số truyền. Từ đồ thị ta nhận thấy phạm vi hoạt động của hộp số vô cấp CVT là rất rộng, điều này nhằm khắc phục được hạn chế của động cơ phát sinh ra mô men nhỏ khi vừa khởi động và giảm được tải trọng động.
Hộp số CVT có thể sử dụng hiệu quả tối đa sức mạnh của động cơ bởi vì nó cho phép tăng tốc độ xe trong khi vẫn giữa nguyên hiệu suất tốc độ động cơ. Đó là điều khác biệt mà hộp số AT không có được (khi điều khiển chuyển số thì phải thay đổi số vòng quay).
Hình 2. 14. Đồ thị so sánh quan hệ tốc độ của xe với tốc độ động cơ trên xe sử dụng hộp số vô cấp CVT và hộp số AT.
Nhờ cơ chế thay đổi tỷ số truyền một cách liên tục để thích ứng với mọi điều kiện tốc độ và tải trọng của bộ truyền đai. Khi thay đổi tỷ số truyền tốc độ của động cơ được giữ ở giá trị không đổi, đồng thời tTốc độ động cơ được duy trì ở giá trị lớn nhất khi bướm ga mở hoàn toàn. Hay nói cách khác khi sang số không có tổn thất công suất. Đây chính là một đặc trưng khác biệt mà hộp số điều khiển cơ khí MT và hộp số tự động AT không có được. Hình 2. 15 so sánh đặc tính biến đổi tốc độ với thời gian trong quá trình chuyển số của hộp số vô cấp CVT và hộp số tự động AT.
Hình 2. 15. Đồ thị quan hệ tốc độ cơ và độ mở bướm ga.
Quá trình sang số trong hộp số AT được xác định thuộc tính động học của động cơ (tốc độ động cơ, mối quan hệ giữa mô xoắn động cơ và tốc độ của xe) với mỗi số truyền. Vì vậy đặc trưng dẫn động ở mỗi số truyền được thể hiện bởi mỗi đường cong chuyển số. Hộp số CVT tự nó có thể tạo ra khả năng thuộc tính linh hoạt hơn. Đặc
trưng của nó cho phép điều khiển thay đổi tỷ số truyền một cách êm dịu và tận dụng tối đa hiệu suất động cơ.
So sánh điều khiển thay đổi tỷ số truyền với hộp số AT thông thường, hộp số vô cấp CVT cho phép thực hiện điều khiển chiếc xe gần với suất tiêu hao nhiên liệu tối ưu nhất (ngay cả phạm vị hoạt động của động cơ cho mô men xoắn lớn), tối ưu hoá hiệu suất động cơ. Mở rộng phạm vi khi động cơ hoạt động ở tốc độ thấp và gia tăng tốc độ, đồng thời mở rộng khu vực cắt nhiên liệu khi giảm tốc. Hình 2. 16 thể hiện phạm vi làm việc với mức tiêu hao nhiên liệu tối nhất trong hộp sô vô cấp CVT.
Hình 2. 16. Giản đồ mức tiêu hao nhiên liệu tối ưu và cắt nhiên liệu khi giảm tốc.
Phân tích những tính năng của hộp số vô cấp CVT ta có thể đưa ra nhận xét: