1.4.1 Mô hình mô phỏng hệ thống truyền lực ô tô
Hiện nay có rất nhiều phương pháp mô phỏng HTTL, mỗi phương pháp đều có ưu nhược điểm riêng và được sử dụng tùy theo trường hợp cụ thể. Để nghiên cứu các chế độ tải tác dụng lên HTTL, phương pháp thích hợp hơn cả là mô phỏng HTTL bằng sơ đồ dao động xoắn. Phương pháp được thực hiện theo các bước sau:
- Từ kết cấu cụ thể của HTTL xây dựng sơ đồ của hệ thống (còn gọi là mô hình cơ học);
16
- Chuyển đổi mô hình cơ học thành sơ đồ động lực và dựa trên những giả thiết tính toán đặt để đơn giản hóa sơ đồ động lực thành sơ đồ tính toán;
- Thiết lập hệ phương trình mô tả hoạt động của hệ thống.
Các sơ đồ động lực có hai dạng: sơ đồ với các thông sô phân bố và sơ đồ với các thông số tập trung. Để cho đơn giản người ta thường gọi chúng là các sơ đồ phân bố (liên tục) và sơ đồ tập trung (rời rạc). Trong các sơ đồ phân bố, mỗi phần tử đƣợc đặc trƣng bởi 2 tính chất: quán tính và đàn hồi.
Tất cả các hệ thống thực đều là hệ thống phân bố, nhƣng để cho đơn giản, trong quá trình phân tích người ta thường tìm cách quy chúng về dạng sơ đồ tập trung bằng cách bỏ qua tính chất ít quan trọng hơn của các phần tử.
Hệ thống truyền lực của ô tô là hệ thống dạng phân bố, nhƣng khi sơ đồ hóa nó, người ta thường thể hiện dưới dạng sơ đồ dao động tập trung. Việc quy đổi dạng phân bố về tập trung đƣợc thực hiện dựa trên các cơ sở sau: các dao động xoắn trong HTTL có phổ không liên tục với tần số riêng nằm trong miền dưới 300Hz. Vì vậy, có thể sử dụng các sơ đồ dạng tập trung để tính toán các quá trình dao động xoắn trong miền tần số trên.
Trong các hệ thống đã đƣợc quy về dạng tập trung, các khối lƣợng đƣợc coi là tập trung và chỉ có tính quán tính. Các chi tiết trong hệ thống có nhiệm vụ nối các khối lƣợng với nhau có dạng phần tử đàn hồi và đƣợc đặc trƣng bởi một độ cứng nhất định. Trong quá trình nghiên cứu dao động xoắn, người ta coi các phần tử có kích thước dọc trục quay không quá 2 lần đường kính là các phần tử tập trung. Khối lượng phân bố của các phần tử này được tính đến một cách tương đối chính xác bằng cách quy chúng về khối lƣợng tập trung. Việc lập sơ đồ tập trung của HTTL đƣợc thực hiện trên cơ sở nghiên cứu kỹ cấu tạo các cụm hệ thống để từ đó phân các chi tiết thành hai loại: loại chỉ có tính quán tính (khối lƣợng tập trung) và loại chỉ có tính đàn hồi (phần tử nối).
Những phần tử có khối lượng tập trung thường là các bánh răng, các đĩa của ly hợp, bánh đà, các mặt bích, các chi tiết của ổ bi, các chi tiết vỏ.
17
Những phần tử chỉ có tính đàn hồi là các trục và một số chi tiết đàn hồi chuyên dụng trong hệ thống truyền lực.
Trong quá trình lập sơ đồ tính toán, việc phân loại và xác định các thông số của các phần tử một cách chính xác đóng vai trò quyết định và ảnh hưởng trực tiếp tới kết quả. Chẳng hạn, các bánh răng có độ đàn hồi rất nhỏ nên thường được coi là các khối lƣợng tập trung, nhƣng khi nghiên cứu dao động tần số cao thì tính đàn hồi của nó phải đƣợc tính đến. Lốp xe là những phần tử đặc biệt, chúng vừa có độ đàn hồi cao lại có khối lượng lớn, khi sơ đồ hóa, chúng thường được thể hiện bằng một khối lƣợng tập trung nối với một phần tử đàn hồi.
Nếu xét một cách tổng quát, ô tô đƣợc sơ đồ hóa nhƣ một hệ thống dao động bao gồm tập hợp những khối lƣợng tập trung đƣợc nối với nhau bằng các khâu đàn hồi không quán tính. Trên sơ đồ này thể hiện tất cả những mối liên hệ động học giữa các trục và các bộ phận đƣợc thực hiện bởi các bánh răng và cơ cấu truyền động.
Việc lập sơ đồ tính toán nên thực hiện theo trình tự sau: Nghiên cứu kỹ lƣỡng cấu tạo các bộ phận và của HTTL thông qua các bản vẽ cấu tạo và trên cơ sở đó xây dựng mô hình cơ học; xác định các thông số của mô hình cơ học; từ mô hình cơ học xác định các thông số của hệ thống truyền lực; đơn giản hóa sơ đồ động lực của hệ thống thành sơ đồ tính toán.
Mô hình cơ học là sơ đồ động học của hệ thống, trong đó thể hiện các phần tử của hệ thống dưới dạng sơ đồ hóa. Ngoài các phần tử đã kể trên, trên sơ đồ còn có các phần tử khối lƣợng liên kết phản lực. Khối lƣợng liên kết phản lực là các phần tử vỏ đƣợc nối đàn hồi với khung của ô tô và do vậy có tham gia vào quá trình dao động xoắn của HTTL. Các khối lƣợng liên kết phản lực đƣợc thể hiện trên sơ đồ dưới dạng lò xo xoắn, một đầu nối với vỏ của cơ cấu, đầu kia nối với khung ô tô.
Các thông số cơ bản của sơ đồ cơ học là mô men quán tính của các khối lƣợng tính theo trục quay của chúng và độ đàn hồi của các phần từ đàn hồi. Độ đàn hồi của phần tử đàn hồi là đại lƣợng nghịch đảo của độ cứng và đƣợc tính bằng góc
18
quay của một trong những mặt cắt của trục khi nó phải chịu mô men xoắn bằng 1 N.m đặt vào một đầu trục trong khi đầu kia bị ngàm cứng. Độ đàn hồi của trục và mô men quán tính của các khối lượng được xác định bằng phương pháp thực nghiệm hoặc tính theo các bản vẽ cấu tạo. Ngày nay, với các phần mềm máy tính chuyên dụng, việc tính toán một cách chính xác mô men quán tính của chi tiết dựa trên hình vẽ của nó trở nên đơn giản hơn.
Khi nghiên cứu những quá trình quá độ xảy ra trong thời gian rất ngắn, người ta có thể bỏ qua sự thất thoát năng lượng (ví dụ như khi tính tải động cực đại). Nhƣng khi nghiên cứu các quá trình liên quan tới các dao động ổn định thì ảnh hưởng của việc thất thoát năng lượng trở nên đáng kể. Vì vậy, trong những trường hợp này cần phải tính đến các phần tử tiêu thụ năng lƣợng.
Trong quá trình dao động, năng lƣợng dao động bị mất mát trong bản thân các chi tiết, trong quá trình, trong các mối ghép then, then hoa, trong các ổ đỡ trục, trong các vết ăn khớp bánh răng, trong các phớt làm kín và trong các cơ cấu giảm chấn.
1.4.2 Tần số riêng và phương pháp tính toán 1.4.2.1 Mô men kích thích từ động cơ
Mô men xoắn của động cơ chính là hàm kích thích tác động vào HTTL. Mô men trên trục của các loại động cơ đốt trong trên ô tô hiện nay đều thay đổi theo chu kỳ, nên nó có thể đƣợc mô tả bằng tổng của vô số hàm điều hòa nhờ phân tích Fourier. Nhƣ vậy, mô men của động cơ có thể đƣợc mô tả thông qua phổ với các tần số đặc trƣng. Các thông số của các dao động điều hòa phụ thuộc vào chế độ vận hành của động cơ. Vì vậy, để giảm bớt khối lượng tính toán, người ta chỉ chọn một chế độ đặc trƣng làm chế độ tính toán. Để đánh giá tải trọng từ động cơ tác dụng lên HTTL người ta thường chọn chế độ tính toán tương ứng với trường hợp động cơ đạt đƣợc mô men xoắn cực đại.
Mô men của động cơ có thể đƣợc biểu diễn thông qua các hàm điều hòa nhƣ sau:
19
(1.3) trong đó Mi là biên độ của cấp điều hòa thứ I và I là pha tương ứng, M0 là giá trị mô men trung bình và là tần số cơ sở.
Nếu một trong các cấp điều hòa của mô men động cơ trùng với một trong các tần số riêng của HTTL thì sẽ xảy ra cộng hưởng. Khi đó biên độ dao động của các khối lƣợng quán tính trong hệ thống tăng đột ngột cùng với độ ồn và rung cũng tăng mạnh. Hiện tƣợng này có thể gây quá tải tới mức làm gãy, vỡ các chi tiết trong HTTL. Hiện tượng cộng hưởng thường xảy ra ở các tần số riêng thứ 3 hoặc thứ 4 của HTTL.
Để tránh hiện tượng này, người ta thường tính toán, lựa chọn độ cứng của giảm chấn một cách hợp lý. Việc tính toán xác định các tần số riêng có thể sử dụng mô hình với 5 hoặc 6 khối lƣợng quán tính.
1.4.2.2 Sơ đồ tính toán
Các chi tiết trong hệ thống truyền lực ô tô được mô tả dưới dạng các khối lƣợng quán tính liên kết với nhau bằng các khâu đàn hồi. Mỗi khối lƣợng thực hiện dao động với một tần số riêng nào đó. Tuy nhiên, HTTL gồm rất nhiều chi tiết, nên nếu mô tả nó một cách chính xác và đầy đủ thì sơ đồ tính toán trở nên rất phức tạp.
Vì vậy, người ta thường rút gọn các sơ đồ ở các mức độ khác nhau. Để xác định các tần số riêng của HTTL, có thể sử dụng sơ đồ 5 khối lƣợng nhƣ trên hình 1.10
I1- động cơ và phần chủ động ly hợp; I2- phần bị động ly hợp, hộp số và các đăng; I3- cầu chủ động so; I4- các bánh xe; I5- khối lƣợng tịnh tiến của ô tô.
Hệ số đàn hồi: e = 1/C với C là độ cứng.
e1- ly hợp; e2- hộp số và các đăng; e3- bán trục; e4- lốp.
I2 I3
e2 3
I1 I4 I5
e3 3
e4
3
e1 3
Hình 1.10 Sơ đồ tính toán tần số riêng với 4 khâu đàn hồi
20
Phương pháp tính toán sẽ trình bày cụ thể ở chương II.