Tài liệu Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số kết cấu và điều khiển tải trọng động tác dụng lên hệ thống truyền lực thủy cơ ô tô

i .. ii ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP CẢNH CHÍ HUÂN NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ KẾT CẤU VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐẾN TẢI TRỌNG ĐỘNG TÁC DỤNG LÊN HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC THỦY CƠ Ô TÔ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Thái Nguyên, năm 2018 iii LỜI CAM ĐOAN Tôi là ,Cảnh Chí Huân, học viên lớp cao học K18 chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí động lực. Sau hai năm học tập và nghiên cứu, được sự giúp đỡ của các thầy cô giáo và đặc biệt là sự giúp đỡ của TS. Nguyễn Khắc Tuân, thầy giáo hướng dẫn tốt nghiệp đến nay tôi đã đi đến cuối chặng đường để kết thúc khóa học. Tôi đã quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của một số kết cấu và điều khiển đến tải trọng động tác dụng lên hệ thống truyền lực thủy cơ ô tô” Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của thầy giáo TS. Nguyễn Khắc Tuân và chỉ tham khảo các tài liệu đã được liệt kê.Tôi không sao chép công trình và của cá nhân nào khác dưới bất cứ hình thức nào. Nếu sai tôi xin chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định. Người thực hiện Cảnh Chí Huân iv LỜI CẢM ƠN Có được kết quả này, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Nguyễn Khắc Tuân, người đã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn này. Tác giả bày tỏ lòng biết ơn đối với ban lãnh đạo và phòng đào tạo của trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên đã tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành bản luận văn này. Tác giả cũng chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm Khoa kỹ thuật ô tô và máy động lực trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện bản luận văn này. Tôi xin cảm ơn các đồng nghiệp đã động viên giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập nghiên cứu và hoàn thành luận văn. Mặc dù đã cố gắng hết sức mình nhưng do năng lực bản thân còn nhiều hạn chế nên Luận văn không tránh khỏi những sai sót, tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy, cô các nhà khoa học và đồng nghiệp. Tác giả Cảnh Chí Huân v MỤC LỤC MỞ ĐẦU. ....................................................................................................................................... 1 1. Lý do chọn đề tài ....................................................................................................................................... 1 2. Các công trình đã công bố liên quan đến đề tài. ....................................................................................................................................... 2 2.1 Tình hình nghiên cứu thế giới. ....................................................................................................................................... 2 2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước. ....................................................................................................................................... 3 3. Mục tiêu nghiên cứu. ....................................................................................................................................... 4 4. Phạm vi nghiên cứu. ....................................................................................................................................... 4 5. Nội dung nghiên cứu. ....................................................................................................................................... 4 vi 6. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................................................................................... 4 Chương 1 – TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC THỦY CƠ TRÊN Ô TÔ. ....................................................................................................................................... 5 1.1.Hệ thống truyền lực thủy cơ. ....................................................................................................................................... 5 1.1.1. Khái niệm. ....................................................................................................................................... 5 1.1.2. Phân loại. ....................................................................................................................................... 5 1.1.3. Ưu, nhược điểm của truyền lực thủy cơ. ....................................................................................................................................... 6 1.2. Cấu tạo chung của hệ thống truyền lực cơ. ....................................................................................................................................... 6 1.3. Một số hệ thống truyền lực thủy cơ trên ô tô. ....................................................................................................................................... 7 vii 1.3.1. Truyền lực thuỷ tĩnh. ....................................................................................................................................... 7 1.3.2. Truyền lực thủy động ....................................................................................................................................... 9 Chương 2 - PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG ĐỘNG TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC Ô TÔ. ....................................................................................................................................... 18 2.1. Các phương pháp nghiên cứu tải trọng động trong HTTL ô tô. ....................................................................................................................................... 18 2.1.1. Phương pháp thực nghiệm. ....................................................................................................................................... 18 2.1.2. Phương pháp mô phỏng lý thuyết. ....................................................................................................................................... 20 2.1.2.1. Mô phỏng thông qua thiết lập hệ phương trình vi phân liên kết giữa các vật trong hệ. ....................................................................................................................................... 20 2.1.2.2. Mô phỏng thông qua mô tả các vật và liên kết. ....................................................................................................................................... 27 viii 2.2. Phương pháp xây dựng mô hình tính toán HTTL thủy cơ. ....................................................................................................................................... 27 2.2.1. Xây dựng mô hình cơ học. ....................................................................................................................................... 28 2.2.2. Xây dựng sơ đồ động lực học ....................................................................................................................................... .32 2.2.3. Xây dựng sơ đồ tính toán. ....................................................................................................................................... 36 2.3. Sơ đồ tính toán động lực học HTTL thủy cơ. ....................................................................................................................................... 39 2.4. Kết luận chương 2. ....................................................................................................................................... 45 Chương 3 - NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ KẾT CẤU VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐẾN TẢI TRỌNG ĐỘNG TÁC DỤNG LÊN HTTL THỦY CƠ. ....................................................................................................................................... 46 3.1. Các giả thiết và đối tượng nghiên cứu. ....................................................................................................................................... 46 ix 3.1.1. Giả thiết khi nghiên cứu tải trọng động tác dụng lên HTTL thủy cơ ....................................................................................................................................... .46 3.1.2. Đối tượng nghiên cứu. ....................................................................................................................................... 46 3.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của dao động xoắn động cơ đốt trong đến tải trọng xuất hiện trong HTTL thủy cơ. ....................................................................................................................................... 47 3.2.1. Xây dựng hệ phương trình vi phân mô tả dao động của hệ thống. ....................................................................................................................................... 47 3.2.2. Xác định mô men kích thích của động cơ đốt trong. ....................................................................................................................................... 50 3.2.3. Khảo sát ảnh hưởng của dao động xoắn động cơ đốt trong đến tải trọng xuất hiện trong HTTL thủy cơ. ....................................................................................................................................... 52 3.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ đóng ly hợp khóa biến mô. ....................................................................................................................................... 57 3.2.1.Xây dựng hệ phương trình vi phân mô tả dao động của hệ thống. ....................................................................................................................................... 57 x 3.2.2. Xác định qui luật biến thiên của mô men ma sát ly hợp. ....................................................................................................................................... 60 3.2.3. Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ đóng ly hợp khóa biến mô đến tải trọng động xuất hiện trong HTTL thủy cơ. ....................................................................................................................................... 61 3.2.3.1. Phân tích, đánh giá kết quả trong trường hợp thời gian đóng ly hợp không đổi. ....................................................................................................................................... 62 3.2.3.2. Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ đóng ly hợp. ....................................................................................................................................... 64 KẾT LUẬN. ....................................................................................................................................... 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO. ....................................................................................................................................... 71 xi DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT Ý NGHĨA TT KÍ HIỆU 1 Độ đàn hồi e 2 Momen quán tính I 3 Trọng lượng riêng γ 4 Lưu lượng Q 5 Khối lượng ô tô ma 6 Hệ số bám φb 7 Hệ số cản lăn f 8 Góc xoắn φ 9 Tỷ số truyền i 10 Gia tốc trọng trường g 11 Hệ số momen B 12 Hệ số biến mô kbm 13 Hệ thống truyền lực 14 Phanh ma sát B 15 Ly hợp C 16 Ly hợp khóa biến mô Ck 17 Động lực học HTTL ĐLH xii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1.Hệ thống truyền lực thủy tĩnh. ....................................................................................................................................... 7 Hình 1.2.Sự phối hợp của bơm và mô tơ thuỷ lực. ....................................................................................................................................... 8 Hình 1.3. Ly hợp thủy lực. ....................................................................................................................................... 9 Hình 1.4.Biến mô thủy lực. ....................................................................................................................................... 10 Hình 1.5.Sự làm việc của biến mô thủy lực. ....................................................................................................................................... 11 Hình 1.6.Bộ biến mô kết hợp với hộp số cơ khí. ....................................................................................................................................... 13 Hình 1.7. Sơ đồ HTTL thủy cơ với bộ vi sai ở cửa vào. ....................................................................................................................................... 13 Hình 1.8. Sơ đồ HTTL thủy cơ với bộ vi sai ở cửa ra. ....................................................................................................................................... 14 xiii Hình 1.9.Sơ đồ động học HTTL thủy cơ ô tô buýt LIAZ 677. ....................................................................................................................................... 14 Hình 1.10.Sơ đồ động học HTTL thủy cơ ô tô ZIL111. ....................................................................................................................................... 14 Hình 1.13.Hệ thống truyền lực thủy cơ MAZ 535. ....................................................................................................................................... 16 Hình 1.14.Cấu tạo hộp số thủy cơ Allison MD3060. ....................................................................................................................................... 16 Hình 1.15.Sơ đồ động học HTTL thủy cơ máy kéo bánh hơi Katerpiller. ....................................................................................................................................... 17 Hình 1.16.Sơ đồ động học HTTL thủy cơ ô tô MAZ – 530. ....................................................................................................................................... 17 Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý phương pháp đo mô men bằng. ....................................................................................................................................... 19 Hình 2.2. Thiết bị đo số vòng quay. ....................................................................................................................................... 20 Hình 2.3.Mô tả chi tiết quay của hệ thống truyền lực. ....................................................................................................................................... 21 xiv Hình 2.4.Sơ đồ HTTL và mô hình mô phỏng. ....................................................................................................................................... 22 Hình 2.5. Mô hình mô phỏng đơn giản hóa. ....................................................................................................................................... 23 Hình 2.6.Mô hình hóa và mô phỏng HTTL ô tô hybrid bằng Bond graph. ....................................................................................................................................... 24 Hình 2.7.Mô hình cơ học và sơ đồ động lực học tương ứng. ....................................................................................................................................... 31 Hình 2.8.Mô hình cơ học và sơ đồ động lực học. ....................................................................................................................................... 32 Hình 2.9. Các bước đơn giản hoá hệ thống động lực. ....................................................................................................................................... 37 Hình 2. 10. Mô hình cơ học và sơ đồ ĐLH cụm động cơ – biến mô - hộp số. ....................................................................................................................................... 40 Hình 2.11.Mô hình cơ học a) và sơ đồ ĐLH cầu sau ô tô tải có truyền lực cạnh. ....................................................................................................................................... 41 Hình 2.12. Sơ đồ ĐLH toàn bộ HTTL thủy cơ xe tải 4x2. ....................................................................................................................................... 42 xv Hình 2.13.Sơ đồ tính toán HTTL thuỷ cơ. ....................................................................................................................................... 42 Hình 3.1.Ô tô Belaz 540A. ....................................................................................................................................... 46 Hình 3.2.Cấu tạo của hộp số thủy cơ ô tô BELAZ– 540A. ....................................................................................................................................... 47 Hình 3.3.Mô hình tính toán ảnh hưởng của dao động động cơ đến tải trọng xuất hiện trong HTTL thủy cơ. ....................................................................................................................................... 48 Hình 3.4.Giao diện của chương trình tính toán. ....................................................................................................................................... 53 Hình 3.5.Sơ đồ cấu trúc Simulink. ....................................................................................................................................... 53 Hình3.6. Sự thay đổi của mô men chính theo góc quay trục khuỷu. ....................................................................................................................................... 54 Hình 3.7. Sự thay đổi của mô men chính theo thời gian. ....................................................................................................................................... 54 Hình 3.8. Sự thay đổi của mô men trên trục các đăng M23 theo thời gian khi HTTL làm việc với các hệ số biến mô khác nhau. xvi ....................................................................................................................................... 55 Hình 3.9.Sự thay đổi của mô men trên bán trục M45. ....................................................................................................................................... 55 Hình 3.10.Sự thay đổi của mô men trên bán trục M45. ....................................................................................................................................... 56 Hình 3.11.Sơ đồ tính toán HTTL thuỷ cơ khi nghiên cứu quá trình đóng ly hợp khoá biến mô. ....................................................................................................................................... 57 Hình 3.12. Đồ thị biến thiên của mô men ma sát của ly hợp gài số với thời gian đóng ly hợp khác nhau. ....................................................................................................................................... 61 Hình 3.13. Mô men xoắn trên trục thứ cấp hộp số quy dẫn về trục của bánh tuabin ở các tay số khác. ....................................................................................................................................... 62 Hình 3.14.Cấu trúc Simulink giải hệ khi đóng ly hợp khóa biến mô. ....................................................................................................................................... 62 Hình 3.15.Mô men xoắn trên trục cacdăng quy dẫn về trục bánh tuabin biến mô. ....................................................................................................................................... 63 Hình 3.16. Mô men xoắn trên bán trục quy dẫn về trục của bánh tuabin biến mô ở các tay số khác nhau. xvii ....................................................................................................................................... 63 Hình 3.17.Các thông số kỹ thuật khi đóng ly hợp. ....................................................................................................................................... 65 Hình 3.18. Quan hệ giữa mô men xoắn cực đại trên trục thứ cấp hộp số theo thời gian đóng ly hợp. ....................................................................................................................................... 65 Hình 3.19. Quan hệ của mô men xoắn cực đại trên trục cacđăng theo thời gian đóng ly hợp khóa biến mô. ....................................................................................................................................... 66 Hình 3.20. Quan hệ giữa mô men xoắn cực đại trên bán trục theo thời gian đóng ly hợp. ....................................................................................................................................... 66 Hình 3.21. Hệ số tải trọng động kđ trên bán trục theo thời gian đóng ly hợp. ....................................................................................................................................... 68 Hình 3.22. Quan hệ giữa hệ số tải trọng động kd trên bán trục theo thời gian đóng ly hợp khóa biến mô (kbm=2.3). ....................................................................................................................................... 68 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Vừa qua theo Đề án quy hoạch phát triển ngành công nghiệp ô tô Việt Nam đến 2020 tầm nhìn đến 2030 Chính phủ đã đề ra mục tiêu phát triển ngành công nghiệp ô tô thành ngành Công nghiệp quan trọng của đất nước, đáp ứng tối đa nhu cầu thị trường nội địa về các loại xe tải, xe khách thông dụng và một số loại xe chuyên dùng; phấn đấu trở thành nhà cung cấp linh kiện, phụ tùng và một số cụm chi tiết có giá trị cao trong chuỗi sản xuất công nghiệp ô tô thế giới, góp phần vào tăng trưởng kinh tế và thúc đẩy sự phát triển của các ngành công nghiệp khác. Vì thế, mục tiêu trước mắt để phát triển ngành công nghiệp ô tô đó là phải chuẩn bị nguồn nhân lực chuyên ngành có kỹ thuật cao và từng bước nghiên cứu, chế tạo các cụm chi tiết nhằm thúc đẩy nhanh việc nội địa hóa sản xuất các tổng thành, hệ thống trên ô tô. Hệ thống truyền lực trong đó có hệ thống truyền lực thủy cơ là một trong những cụm chi tiết được đặt mục tiêu nội địa hóa sớm nhất. Hệ thống truyền lực thủy cơ thường được cấu tạo bởi ba phần cơ bản: biến mô thủy lực, hộp số cơ khí và hệ thống điều khiển. Nhờ những ưu điểm rất lớn như thuận lợi cho việc điều khiển tự động, giảm nhẹ sức lao động người lái, nâng cao được tính an toàn chuyển động, nâng cao tốc độ chuyển động trung bình, giảm được các chất thải độc hại từ động cơ nên ngày nay hộp số thủy cơ được sử dụng rất phổ biến trên ô tô. Ở Mỹ hàng năm có đến 85 -90% ô tô du lịch, gần như toàn bộ xe buýt được sản xuất mới có trang bị hộp số thủy cơ. Ở Châu Âu, phần lớn các xe buýt và khoảng 25% (ở Nhật Bản 30%) xe du lịch sản xuất mới được lắp hộp số thủy cơ. Hiện nay, theo xu hướng chung số ô tô trang bị hộp số thủy cơ ở Việt Nam ngày càng nhiều, ngoài ra có một số lượng lớn các xe tải lớn và xe chuyên dùng được trang bị hộp số thủy cơ với kết cấu tương tự. Nhằm cung cấp cơ sở lý thuyết ban đầu cho việc thiết kế chế tạo hệ thống truyền lực thủy cơ ô tô thì việc nghiên cứu đặc tính động học, động lực học và ảnh hưởng của các bộ phận kết cấu đến hoạt động của hệ thống, tải trọng tác động lên các bộ phận từ đó cho phép ta xác định được các thông số kết cấu tối ưu cho các cụm chi tiết trong hệ thống là một việc làm rất quan trọng. Cho tới nay, có khá nhiều các nghiên cứu của các nhà khoa học trong và ngoài nước liên quan đến tải trọng động 2 tác dụng lên hệ thống truyền lực thủy cơ.Tuy nhiên, ở Việt Nam hiện nay chưa có một công trình nào nghiên cứu một cách đầy đủ về vấn đề này. Xuất phát từ những yêu cầu thiết thực trong cuộc sống và tính thời sự của vấn đề này tác giả đã chọn đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số kết cấu và điều khiển đến tải trọng động tác dụng lên HTTL thủy cơ ô tô” làm đề tài luận văn thạc sỹ của mình. 2. Các công trình đã công bố liên quan đến đề tài Đã có rất nhiều các công trình công bố nghiên cứu liên quan đến tải hệ thống truyền lực thủy cơ. 2.1 Tình hình nghiên cứu thế giới 1. Курзель И. А. Расчет топливной экономичности автомобиля с гидропередачей на установившихся режимах движения// Автомобил. пром. 1989. №5.-С. - 4-6.”. tiếnhànhnghiêncứutínhkinhtếnhiênliệucủa đã Trongbàibáonàytácgiả ô tô ởchế trangbịhộpsốthủycơ độlàmviệcổn định. 2. Лапидус В. И Зависимость КПД гидротрансформатора от числа Рейнольдса // Автомобил. пром. 1990. - № 7. - С. Cáctácgiảnghiêncứuphươngpháptínhhiệusuấtcủabiếnmô 19-20.”. thủylực, nghiêncứusựthuộchiệusuấtbiếnmô vàosốRaynol 3. Пин Г. Э. Исследование некоторых эксплуатационных свойств грузового автомобиля с гидромеханической трансмиссией. Дис. канд. техн. наук. М., 1972. - 171 с. kỹthuậtnàytácgiả đã trangbịhộpsốthủycơ như TrongluậnánTiếnsĩ nghiêncứumộtsốthôngsốkhaitháccủa ô tô có khảnăngtăngtốc, sứckéo… 4. Попов Б. Н. Исследование начальной фазы разгона автомобиля с гидротрансформатором// Автомобил. пром. 1989. - № 2. - С. 11-12.”;Нарбут А. Н., Мухитдинов А. А. Мартынов К. В. Оптимизация разгона АТС// Автомоб. Пром-ть. 2002. - №1. - С. 20-21.”; “Нарбут А. Н. О ГМП легковых автомобилей// Автомобил. пром.2003.- №8.-С. 38- 40”,Cáctácgiảtrongcáccôngtrìnhnày đã xâydựngmô hìnhnghiêncứu độnglựchọccủa ô 3 tô vớihệthốngtruyềnlựcthủycơ và tiếnhànhnghiêncứukhảnăngtăngtốccủa ô tô vớihộpsốthủycơ có kếtcấubiếnmô khácnhau. 5. Optimizationand Control of a HydroMechanical Transmission based Hybrid Hydraulic Passenger Vehicle, 7th International Fluid Power Conference Aachen 2010, pp. 1-12; Modeling and simulation of hydrostatic transmission system: a literature survey, International Journal of Mechanical and Production Engineering, ISSN: 2320-2092, Volume- 1, Issue- 6, Dec-2013”. Trong các công trình này, PerryY. Li và cộng sự đã nghiên cứu tổng hợp về các HTTL thủy tĩnh kiểu mạch hở, mạch kín và ứng dụng của nó trên ô tô, trình bày các phương pháp phân tích HTTL thủy tĩnh bằng mô phỏng và thí nghiệm. 2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước 1. Nghiên cứu xây dựng phương pháp đánh giá khả năng động lực của xe BELAZ540A khi được lắp biến mô thuỷ lực chế tạo tại nhà máy cơ khí Hòn Gai. Đề tài NCKH cấp Trường. Hà Nội, 1997”,Nguyễn Trọng Hoan (1997). PGS. Nguyễn Trọng Hoan và cộng sự đã nghiên cứu vấn đề liên quan tính toán động lực học HTTL thủy cơ, nghiên cứu cải thiện sức kéo của ô tô có trang bị hộp số thủy cơ 2. Lý thuyết ô tô , GS. TSKH, Nguyễn Hữu Cẩn (1999).Trong tài liệu này tác giả đã đề cập một cách sơ lược đến việc nghiên cứu ảnh hưởng của truyền lực thủy cơ đến động lực học kéo của ô tô. 3. Nghiên cứu động học và động lực học hộp số tự động – Mô phỏng hoạt động của hộp số. Chu Thành Khải, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ thuật Hồ Chí Minh. Trong công trình nàyđể nghiên cứu động học, động lực học hộp số tự động và sau đó mô phỏng cụ thể hoạt động hộp số A140L trên dòng xe Toyota Camry tác giả đã tìm hiểu và trình bày những vấn đề cơ bản về một bộ truyền bánh răng hành tinh đơn giản như tỉ số truyền, mômen giữa hai phần tử chủ động và bị động, từ đó phân tích yếu tố ảnh hưởng làm thay đổi tỉ số truyền cũng như tốc độ đầu ra của hộp số. Một trong những yếu tố làm giảm tốc độ xe sử dụng hộp số tự động như xe bị quá tải, ma sát trong ly hợp bị giảm do mòn, do áp lực dầu yếu... Từ kết quả nghiên cứu, tính toán đó ta sử dụng phần mềm Matlab vẽ đồ thị mô tả sự phụ thuộc của tỉ số truyền, tốc độ đầu ra trục bị động và tốc độ xe phụ thuộc vào lực ép dầu của cơ cấu ly hợp hay phanh. Sau đó, mô phỏng hoạt động của hộp số tự động A140L trên hai phần mềm SolidWork