Ứng dụng simulink khảo sát tính chất khởi hành và tăng tốc của ô tô uaz31512

Song song với sự phát triển của nền kinh tế, nhu cầu đi lại, vận chuyển hàng hóa ngày càng tăng, để đáp ứng yêu cầu đó, ngành vận tải đưa ra rất nhiều phương thức vận tải khác nhau như: vận tải đường sắt, vận tải đường thuỷ, vận tải hàng không, vận tải ô tô Nhưng vận chuyển một cách triệt để nhất phải nói đến vận tải ô tô. Hiện nay, vận tải ô tô phát triển rất mạnh nó chiếm khối lượng vận chuyển lớn nhất so với các phương thức vận tải khác, đây là một phương tiện vận tải quan trọng và nó có nhiều đặc điểm ưu việt hơn hẳn các phương tiện vận tải khác ở tính năng cơ động cao. Với điều kiện địa hình, đường xá đa dạng, phức tạp như nước ta hiện nay, các cơ sở doanh nghiệp, cá nhân có xu hướng sử dụng nhiều hơn loại xe ô tô hai hay nhiều cầu chủ động. vì vậy loại xe này càng xuất hiện nhiều tại Việt Nam. Đặc điểm loại xe này là khả năng thích ứng cao với nhiều dạng địa hình, phát huy tối đa khả năng cơ động, hạn chế tối đa quá tải đối với hệ thống truyền lực, hệ thống di động của xe. Một trong những loại xe hai cầu chủ động mà hiện nay vẫn còn được sử dụng khá rộng rãi đó là xe UAZ31512, chúng ta sẽ nghiên cứu tính chất khởi hành và tăng tốc của loại xe này. Hiện nay phương pháp mô phỏng số đang được sử dụng rộng rãi để nghiên cứu các cơ hệ đặc biệt là hệ dao động của ô tô. Thực tế đã cho thấy Matlab-Simulink là một trong những phần mềm có khả năng ứng dụng rất cao trong việc giải các bài toán kỹ thuật bằng cách lập trình, xử lý số và đồ hoạ để mô phỏng, phân tích một hệ thống động học, giải các bài toán vi phân và phương trình bậc cao . Xuất phát từ những yêu cầu trên, em đã lựa chọn đề tài: “Ứng dụng Simulink khảo sát tính chất khởi hành và tăng tốc của ô tô UAZ31512 ”. MỤ LỤC LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1 1.1. Tổng quan đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1 1.1.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1 1.1.2. Ý nghĩa khoa học của đề tài 1 1.2. Khái niệm chung về khởi hành và tăng tốc 1 1) Giai đoạn thứ nhất 1 2) Giai đoạn hai 4 1.3. Tìm hiểu đặc điểm cấu tạo của xe UAZ31512 6 1.3.1. Tổng quan về xe ô tô 2 cầu chủ động 6 1.3.2. sơ đồ cấu tạo và nguyên tắc làm việc của xe UAZ31512 7 1.3.2.1.Sơ đồ cấu tạo xe ô tô UAZ31512: 7 1.3.2.2. Nguyên tắc làm việc của xe ô tô UAZ31512: 10 CHƯƠNG 2: LỰC VÀ MÔ MEN TRÊN XE Ô TÔ 11 2.1. Các lực và mô men tác động lên ô tô 11 2.1.1. Mô men chủ động 11 2.1.2 Lực kéo tiếp tuyến(lực chủ động) 13 2.1.3 Lực bám 15 2.1.4 Hệ số bám 16 2.1.5 Cân bằng lực kéo 20 1) Lực cản lăn 20 2) Lực cản dốc P 22 3) Lực cản không khí Pw 22 4) Lực cản quán tính Pj 22 5) Cân bằng lực kéo và phương trình vi phân chuyển động của xe 24 2.1.6 sự trượt của bánh xe chủ động 25 2.2 Hệ thống truyền lực, phân chia mô men tới các cầu chủ động 26 2.2.1 Hệ thống truyền lực 26 2.2.2 Hiện tượng tuần hoàn công suất trên xe ô tô hai cầu chủ động 28 2.2.3 Phân bố lực kéo tới các bánh xe chủ động 30 2.2.3.1 Lực kéo tiếp tuyến trên xe một cầu chủ đông 30 CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MATLAB – SIMULINK KHẢO SÁT QUÁ TRÌNH KHỞI HÀNH VÀ TĂNG TỐC CỦA Ô TÔ 33 3.1 Mô hình khởi hành và tăng tốc của ô tô 33 3.2 Ứng dụng Matlab – Simulink khảo sát qúa trình khởi hành và tăng tốc của ô tô UAZ31512 34 3.2.1 Giới thiệu về Matlab – Simulink 34 3.2.2 Mô hình toán khối ly hợp 40 3.2.3 Mô hình toán hộp số có cấp: 42 3.2.4 Mô hình toán tương tác bánh - đất 43 3.2.4.1 Động lực học bánh xe bị động 43 3.2.4.2 Động lực học bánh xe chủ động 45 3.2.5 Phươg trình vi phân khi khởi hành và tăng tốc . 46 3.3 Mô hình mô phỏng khối động cơ 49 3.4 Mô hình mô phỏng khối ly hợp ma sát khô 50 3.5 Mô hình mô phỏng hộp số có cấp đơn giản 53 3.6 Mô hình khảo sát mối quan hệ đất – bánh 54 3.7 Mô phỏng khối thân xe 55 3.9 khảo sát quá trình khởi hành và tăng tốc 58 3.9.1 Chạy thử mô hình 58 3.9.2 Các phương án khảo sát 60 3.9.3 kết quả và phân tích kết quả khảo sát 60 3.9.4 Nhận xét kết quả khảo sát 64 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 65 4.1 Kết luận chung 65 4.2. Hướng phát triển của đề tài 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 66

docx73 trang | Chia sẻ: lvcdongnoi | Ngày: 08/06/2013 | Lượt xem: 2199 | Lượt tải: 7download
Bạn đang xem nội dung tài liệu Ứng dụng simulink khảo sát tính chất khởi hành và tăng tốc của ô tô uaz31512, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
rồi đến các bánh xe chủ động để tạo ra sự chuyển động tịnh tiến của ôtô, máy kéo. Mô men quay do động cơ truyền đến các bánh chủ động gọi là mô men chủ động Mk. Hình 2.1 trình bày đơn giản sơ đồ của hệ thống truyền lực Hình 2.1 sơ đồ hệ thống truyền lực Mô men quay do động cơ truyền đến các bánh chủ động được gọi là mô men chủ động và thường được ký hiệu là Mk. Giá trị của mô men quay Mk phụ thuộc vào mô men quay của động cơ Me, tỷ số truyền i và hiệu suất hm của hệ thống truyền lực. Ngoài ra còn phụ thuộc vào chế độ chuyển động của máy kéo. Khi máy kéo chuyển động ổn định: Mk=Me.i.hm (2.1) trong đó : Me - mô men quay của động cơ; i, hm - tỷ số truyền và hiệu suất của hệ thống truyền lực : i = ih.iT.ic. ih - tỷ số truyền của hộp số; iT - tỷ số truyền của truyền lực trung ương; ic - tỷ số truyền của truyền lực cuối cùng; Khi máy kéo chuyển động không ổn định : (2.2) trong đó : Jđ, - mô men quán tính của các chi tiết chuyển động không đều trong động cơ qui đổi đến trục khuỷu và gia tốc góc của động cơ; Jx, - mô men quán tính và gia tốc của chi tiết thứ x trong hệ thống truyền lực; Jk, - mô men quán tính và gia tốc của bánh xe chủ động. Trong công thức (2.2), dấu cộng (+) được sử dụng cho trường hợp chuyển động chậm dần và dấu trừ (-) là khi chuyển động nhanh dần. Mối liên hệ giữa gia tốc của xe và gia tốc góc của bánh xe chủ động có thể được biểu diễn qua biểu thức : trong đó : a - gia tốc tịnh tiến của máy kéo; rk - bán kính bánh xe chủ động; i - tỷ số truyền chung của hệ thống truyền lực. Từ đó suy ra hệ thức sau : Sau khi thay các giá trị trên vào công thức (2.6) và bằng phép biến đổi đơn giản nhận được : trong đó : Mk - mô men chủ động của máy kéo khi chuyển động ổn định; Mak- tổng mô men của các lực quán tính tiếp tuyến các khối lượng chuyển động quay không đều qui dẫn đến bánh xe chủ động : (2.3) Như vậy, khi chuyển động không ổn định mô men chủ động của xe M’k không chỉ phụ thuộc vào mô men quay của động cơ Me, tỷ số truyền chung i, hiệu suất chung của hệ thống truyền lực hm mà còn phụ thuộc vào mô men quán tính của các khối lượng chuyển động quay không đều và bán kính của bánh xe chủ động. Khi xe chuyển động nhanh dần, thành phần mô men quay Mk đóng vai trò là mô men cản và mô men chủ động của xe nhỏ hơn so với trường hợp chuyển động đều (M’k Mk. 2.1.2 Lực kéo tiếp tuyến(lực chủ động) Quá trình tác động tương hỗ giữa bánh xe với mặt đường hoặc đất xảy ra rất phức tạp, song về nguyên lý làm việc của bánh xe chủ động có thể biểu diễn như hình 2.2. Dưới tác dụng của mô men chủ động Mk bánh xe tác động lên mặt đường một lực tiếp tuyến P (không vẽ trên hình), ngược lại mặt đường tác dụng lên bánh xe một phản lực tiếp tuyến Pk cùng chiều chuyển động với máy kéo và có giá trị bằng lực P (Pk = P). Phản lực Pk có tác dụng làm cho máy chuyển động. Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý làm việc của bánh xe chủ động Mk GK RK rk PK ZK Do vậy phản lực tiếp tuyến Pk được gọi là lực kéo tiếp tuyến, đôi khi còn được gọi là lực chủ động. Về bản chất, lực kéo tiếp tuyến là phản lực của đất tác dụng lên bánh xe do mô men chủ động gây ra, có chiều cùng với chiều chuyển động của máy kéo. Giá trị lực kéo tiếp tuyến khi máy kéo chuyển động ổn định được xác định theo công thức : Pk= (2.4) trong đó : M k - mô men chủ động; Me - mô men quay của động cơ; i, hm -tỷ số truyền và hiệu suất cơ học của hệ thống truyền lực; rk- bán kính bánh xe chủ động. Qua đó ta thấy rằng, lực kéo tiếp tuyến sẽ đạt giá trị cực đại Pkmax khi sử dụng số truyền có tỷ số truyền lớn nhất i = imax và mô men quay động cơ đạt giá trị lớn nhất Me = Mmax, nghĩa là : Pkmax = (2.5) Khi máy kéo chuyển động không ổn định mô men chủ động còn phụ thuộc vào gia tốc và mô men quán tính của các chi tiết chuyển động quay không đều trong hệ thống truyền lực và trong động cơ. Lực kéo tiếp tuyến có thể được xác định theo công thức : (2.6) trong đó: M’ k - mô men chủ động khi chuyển động không ổn định; Mak - mô men các lực quán tính tiếp tuyến của các chi tiết chuyển động quay không đều trong hệ thống truyền lực và trong động cơ; Pk, P’k - lực kéo tiếp tuyến khi chuyển động ổn định va khi chuyển động không ổn định. Trong công thức (2.6) lấy dấu cộng khi chuyển động chậm dần và dấu trừ khi chuyển động nhanh dần. 2.1.3 Lực bám sự xuất hiện lực kéo tiếp tuyến Pk là do kết quả của tác động tương hỗ giữa bánh xe và mặt đường. Do đó giá trị lớn nhất của lực kéo tiếp tuyến không chỉ phụ thuộc vào khả năng cung cấp mô men quay từ động cơ mà còn phụ thuộc vào khả năng bám của bánh xe với đất hoặc mặt đường. Khi bánh xe không còn khả năng bám sẽ xảy ra hiện tượng trượt quay hoàn toàn, lúc đó trị số của lực kéo tiếp tuyến cũng đạt đến giá trị cực đại. Giá trị cực đại của lực kéo tiếp tuyến theo khả năng bám của bánh xe được gọi là lực bám Pj , nghĩa là: Pkmax = Pj Về bản chất, lực bám được tạo thành bởi 2 thành phần chính : lực ma sát giữa bánh xe và mặt đường; sức chống cắt của đất được sinh ra do tác động của các mấu bám. Khi chuyển động trên đường cứng, lực bám được tạo tành do lực ma sát, còn khi chuyển động trên nền đất mềm lực bám được tạo thành do cả lực ma sát và lực chống cắt của đất. Do vậy lực bám sẽ phụ thuộc vào đặc điểm cấu tạo của bánh xe, tính chất cơ lý của đất và tải trọng pháp tuyến. Thực nghiệm đã khẳng định rằng, lực bám phụ thuộc rất lớn vào tải trọng pháp tuyến và có mối quan hệ tỷ lệ thuận. Do đó mối quan hệ này thường hay được sử dụng khi nghiên cứu khả năng bám của bánh xe. 2.1.4 Hệ số bám Tỷ số giữa lực bám Pj và tải trọng pháp tuyến Gk được gọi là hệ số bám và thường được ký hiệu là j, nghĩa là : j = (2.7) Hệ số bám là một thông số quan trọng dùng để đánh giá tính chất bám của máy kéo. Nó phụ thuộc vào kết cấu của hệ thống di động và trạng thái mặt đường. Do tính chất phức tạp và đa dạng của điều kiện sử dụng máy kéo cũng như sự phức tạp của các mối quan hệ giữa hệ số bám và các yếu tố ảnh hưởng cho nên giá trị của hệ số bám chỉ được xác định bằng thực nghiệm và độ chính xác của các số liệu chỉ mang tính tương đối. Trên cơ sở công thức (2.14) ta có thể viết : Pj=jGk= j Zk (2.8) Như vậy điều kiện cần để máy kéo có thể chuyển động được sẽ là : PK<Pj (2.9) Điều kiện trên cũng nói lên rằng khả năng chuyển động của máy kéo sẽ bị giới hạn bởi khả năng bám của các bánh xe chủ động. Tóm lại, khi tính toán lực kéo tiếp tuyến hoặc lực chủ động của máy kéo cần phải xem xét cho 2 trường hợp : Khi đủ bám Pk sẽ tính theo mô men của động cơ, có thể sử dụng công thức (2.4) hoặc (2.5). Khi không đủ bám Pkmax sẽ tính theo lực bám : Pkmax = Pj Hệ số bám phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố khác nhau và để thuận tiện nghiên cứu người ta chia các nhân tố ra làm 2 nhóm chính: Nhóm 1: Các nhân tố mà mức độ ảnh hưởng tới hệ số bám ít thay đổi, bao gồm: loại đường, trạng thái mặt đường, kết cấu và tình trạng lốp. Ảnh hưởng của các nhân tố này đẫ được nghiên cứu bằng thực nghiệm. các kết quả thường được công bố dưới dạng bảng hoặc đồ thị. Nhóm 2: Các nhân tố luôn thay đổi trong quá trình chuyển động của xe, gồm: vận tốc chuyển động, độ trượt của bánh xe,. Vận tốc chuyển động của xe, độ trượt của các bánh xe càng lớn thì hệ số bám giảm. Bảng 2.1 Hệ số bám trên các loại đường Loại đường và tình trạng mặt đường Hệ số bám trung bình Đường nhựa và đường bê tông Khô sạch Ướt 0,7 - 0,8 0,35 – 0,45 Đường đất Đất pha cát khô Ướt 0,5 – 0,6 0,2 – 0,4 Đường cát Khô Ướt 0,2 – 0,3 0,4 – 0,5 Các đồ thị cho ta thấy: Khi tăng áp suất nên lốp hệ số bám lúc đầu tăng lên, sau đó lại giảm. Khi vận tốc xe tăng, hệ số bám giảm dần theo đường cong. Khi tăng tải trong pháp tuyến, hệ số bám tăng theo dang tuyến tính. Khi đường ướt thì ảnh hưởng của áp suất lốp, tải trong pháp tuyến và vận tốc xe đến hệ số bám càng lớn. Trong một số trường hợp nghiên cứu, để đơn giản quá trình tính toán thường bỏ qua sự thay đổi hệ số bám vào trượt. tuy nhiên trong thực tế khi độ trượt thay đổi dẫn đến hệ số bám thay đổi rất lớn. Khi tăng độ trượt (trượt lê hoặc trươt quay) thì hệ số bám lúc đầu taqng nhanh chóng đến giá trị cực đại, khi độ trượt khoảng 20 – 25% độ trượt tiếp tục tăng, hệ số bám giảm, đến khi trượt hoàn toàn thì hệ số bám giảm khoảng 20 – 30% giá trị cực đại, lên đến 50 – 60% khi đường ướt. bản chất vật lý của hiện tượng rất phức tạp, liên quan đến quá trình biến dang của vật liệu lốp xe, biến dạn nền đường. Người ta thường xác định mối quan hệ này bằng thực nghiệm. Để thuận lợi trong nghiên cứu, cần biểu diễn quan hệ bằng giả tích. Theo Coraghenski , quan hệ này như sau: Trong đó: a,b,c,d: các hằng só xác định từ thực nghiệm e: cơ số loogarit = 2,718 2.1.5 Cân bằng lực kéo Sơ đồ lực tác dụng lên ô tô: Hình 2.7 Sơ đồ lực tác dụng lên ôtô PW a b Pj Gsina h Gcosa G Pf1 Pm Pk Pfk hm Z1 L ZK a V 1) Lực cản lăn Lực cản lăn của các bánh xe xuất hiện là do sự tiêu hao năng lượng bên trong lốp khi nó bị biến dạng, do xuất hiện các lực ma sát giữa bánh xe và mặt đường, trong các ổ trục bánh xe hoặc ma sát trong bộ phận di động xích, lực cản không khí chống lại sự quay của bánh xe và sự tiêu hao năng lượng cho việc tạo thành vết bánh xe. Do phụ thuộc đồng thời vào nhiều yếu tố nên việc xác định mức độ tiêu hao năng lượng của từng thành phần riêng là rất khó khăn. Bởi vậy người ta qui tất cả các thành phần tiêu hao năng lượng cho quá trình lăn của bánh xe thành một lực cản và gọi là lực cản lăn. Như vậy, có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến lực cản lăn của ô tô. Thực nghiệm đã chứng tỏ rằng, phản lực pháp tuyến của mặt đường là yếu tố ảnh hưởng lớn nhất. Do đó có thể xác định lực cản lăn theo phản lực pháp tuyến Z hoặc theo trọng lương của xe G, sự ảnh hưởng của các yếu tố còn lại được qui thành một hệ số f và có thể viết : Pf=P¦k + P¦n = ¦Z = ¦G (2.10) trong đó : P¦k- - lực cản lăn của các bánh chủ động P¦n-- lực cản lăn của các bánh bị động ¦ - hệ số cản lăn; Z - phản lực pháp tuyến: Z = Gcosa ; G - trọng lượng của máy kéo; a - độ dốc mặt đường. Biểu thức (2.10) có thể viết lại một cách tổng quát hơn : Pf=f.Gcosa (2.11) Trong đó: f – hệ số cản lăn của ô tô máy kéo Bảng 2.2 Hệ số cản lăn trên các loại đường Loại đường Hệ số bám trung bình Đường nhựa Đường bê tông Đường rải đá Đường đất khô Đường đất ướt Đường cát Đất sau khi cày 0,015 – 0,018 0,012 – 0,015 0,023 – 0,03 0,025 – 0,035 0,05 – 0,15 0,10 – 0,30 0,12 2) Lực cản dốc Pa Khi xe lên dốc hoặc xuống dốc sẽ xuất hiện thành phần Gsina có phương song song với mặt đường và được goi là lực cản dốc, ký hiệu là Pa : Pa=Gsina (2.12) trong đó : G - trọng lượng xe; a - góc dốc mặt đường. Tuy nhiên lực Pa chỉ gây cản chuyển động khi xe lên dốc, còn khi xuống dốc nó sẽ có tác dụng đẩy xe chuyển động. 3) Lực cản không khí Pw Khi xe chuyển động sẽ làm di chuyển bộ phận không khí bao quanh máy, làm xuất hiện các dòng khí xoáy phía sau và hình thành một lực cản gọi là lực cản không khí. Lực cản không khí chủ yếu phụ thuộc vào tốc độ chuyển động, hình dáng bề mặt chắn gió phía trước. Giá trị của lực cản không khí có thể được xác định theo công thức thực nghiệm : Pw=kwFv2 (2.13) trong đó : kw - hệ số cản không khí ; F -diện tích cản chính diện (diện tích hình chiếu của xe trên mặt phẳng vuông góc với phương chuyển động); v - tốc độ chuyển động tương đối giữa máy kéo và không khí. 4) Lực cản quán tính Pj Khi xe chuyển động có gia tốc sẽ xuất hiện lực quán tính có phương song song với phương chuyển động và điểm đặt tại trọng tâm của xe. Nếu chuyển động chậm dần, lực quán tính Pj sẽ cùng chiều với chiều chuyển động và có tác dụng hỗ trợ cho sự chuyển động của xe. Ngược lại, khi chuyển động nhanh dần, lực quán tính sẽ chống lại sự chuyển động và gọi là lực cản quán tính. Giá trị của lực quán tính có thể xem như tạo thành bởi hai thành phần : Pj = Pj’ + Pj’’ (2.14) trong đó : Pj’ - lực cản quán tính tịnh tiến; Pj’’ - lực cản quán tính do sự ảnh hưởng của các chi tiết chuyển độngquay không đều trên xe gây ra. Lực quán tính tịnh tiến Pj’ có thể được xác định theo công thức : Pj’ = a (2.15) trong đó : a - gia tốc tịnh tiến của xe; G - trọng lượng xe; g - gia tốc trọng trường. Thành phần lực quán tính Pj’’ được xác định theo công thức : Pj'' = (2.16) trong đó : Mak- mô men của các lực quán tính tiếp tuyến của các chi tiết chuyển động quay không đều qui dẫn đến trục bánh chủ động Man- mô men các lực quán tính tiếp tuyến của bánh trước (bánh dẫn hướng) Man = Jn, rn - mô men quán tính và bán kính của bánh xe dẫn hướng. Thay các giá trị Mak và Man vào (2.16), sau đó thay các giá trị của Pj’ và Pj’’ vào (2.14) ta sẽ nhận được lực cản quán tính chung của máy kéo (2.17) Đặt: (2.18) Jd, Jx,Jk,Jn – tương ứng với mô men quán tính của động cơ, chi tiết quay thứ x, bánh chủ động và bánh bị động; ix – tỷ số truyền từ chi tiết quay thứ x đến bánh chủ động. Thay da vào (2.17) ta có : Pj=da.a (2.19) Trong đó: da - hệ số qui đổi khối lượng tính đến sự ảnh hưởng của các chi tiết chuyển động quay không đều của xe. 5) Cân bằng lực kéo và phương trình vi phân chuyển động của xe Phương trình cân bằng lực kéo theo nguyên lý D’Alambert: Pk = Pf ± Pa ± Pj ± Pw (2.20) Trong (2.20) lấy dấu cộng (+) trước Pa khi chuyển động lên dốc và lấy dấu trừ (-) khi xuống dốc; trước Pj lấy dấu cộng (+) khi chuyển động nhanh dần và lấy dấu trừ (-) khi chuyển động chậm dần. Thay Pj từ biểu thức (2.19) vào phương trình (2.20) ta sẽ rút ra được phương trình vi phân chuyển động : (2.21) Đặt Pc = Pf ± Pa + Pw Công thức (2.21) có thể viết gọn lai: (2.22) Thành phần Pc được gọi là lực cản chung của xe. Khi chuyển động ổn định phương trình cân bằng lực có dạng : Pk = Pc Điều kiện để xe có thể chuyển động được sẽ là : Pc<Pkmax<Pj (2.23) trong đó : Pkmax - lực kéo tiếp tuyến cực đại theo khả năng cung cấp mô men quay của động cơ; Pj - lực bám của xe; Nếu Pkmax > Pc > Pj máy kéo không chuyển động được do các bánh chủ động bị trượt quay hoàn toàn. Nếu Pkmax < Pc < Pj , máy kéo không chuyển động được và động cơ sẽ dừng quay "chết máy". 2.1.6 sự trượt của bánh xe chủ động Đối với các bánh xe ô tô - máy kéo, hiện tượng lăn không trượt chỉ là giả định, còn trong thực tế luôn xảy ra hiện tượng trượt của các bánh xe. Do đó người ta đưa ra 2 khái niệm : vận tốc lý thuyết và vận tốc thực tế. - Vận tốc lý thuyết: là vận tốc tịnh tiến của trục bánh xe khi lăn không trượt, thường ký hiệu là vt , nghĩa là : vt=vo = r.w (2.24) - Vận tốc thực tế: là vận tốc trục bánh xe khi lăn có trượt, v ¹ vt. - Độ trượt: là một thông số dùng để đánh giá mức độ trượt của bánh xe và được xác định bởi tỷ số giữa độ mất mát vận tốc (Dv = vt - v) và vận tốc lý thuyết vt : ( 2.25) Khi trượt quay d = 0 ¸100%, Khi trượt lê d = - ¥ ¸ 0. Độ trượt quay d là một trong các thông số quan trọng dùng để đánh giá tính chất bám của bánh xe chủ động và tính năng kéo - bám và tính năng phanh của ô tô máy kéo. Độ trượt phụ thuộc vào nhiều yếu tố: các thông số cấu tạo của bánh xe, các tính chất cơ lý của đất, tải trọng pháp tuyến trên các cầu và các lực cản chuyển động của ô tô - máy kéo. Hình 2.8 Đường đặc tính trượt của máy kéo Hình 2.8 biểu diễn sự phụ thuộc độ trượt và lực kéo tiếp tuyến Pk (hay Pm) tương ứng với các trọng lượng khác nhau. Trên cùng một nền đất, cùng một hệ thống di động nhưng đường đặc tính trượt phụ thuộc lực kéo khác nhau khi trong lượng của xe khác nhau. 2.2 Hệ thống truyền lực, phân chia mô men tới các cầu chủ động 2.2.1 Hệ thống truyền lực Hệ thống truyền lực của ô tô và máy kéo là tập hợp của tất cả các cơ cấu nối từ động cơ đến bánh xe chủ động, bao gồm các cơ cấu truyền, cắt nối, đổi chiều quay, biến đổi giá trị mô men truyền. chức năng của hệ thống truyền lực nhau: Truyền, biến đổi mô men và số vòng quay từ động cơ tới bánh xe chủ động sao cho phù hợp giữa chế độ làm việc của động cơ và mô men cản sinh ra trong quá trình máy kéo và ô tô chuyển động. Cắt dòng truyền lực trong thời gian ngắn hoặc dài. Thực hiện đổi chiều quay để thay đổi chiều chuyển động cho xe. Tạo khả năng chuyển động mềm mại và êm dịu trên đường. Các loại ô tô và máy kéo bánh thường trang bị động cơ đốt trong dùng nhiên liệu diezen hoặc xăng, ngày nay do xuất hiện các loại động cơ mới như động cơ rôto quay (động cơ wanken), động cơ sử dụng nhiên liệu hiđrô, phân hủy kim loại rắn hay thậm chí từ nước v.v… làm thay đổi cấu trúc hệ thống truyền lực. Hệ thống truyền lực trên ô tô máy kéo hiện nay có các loại phổ biến sau: Hệ thống truyền lực cơ khí bao gồm các bộ truyền masát, các hộp biến tốc, hộp phân phối (hay còn gọi là hộp số phụ), truyền động các đăng, bộ truyền vi sai, truyền lực cuối cùng. Hệ thống truyền lực cơ khí thủy lực bao gồm các bộ truyền cơ khí kết hợp với bộ truyền thủy lực. Hệ thống truyền lực thủy lực bao gồm thủy lực, các động cơ thủy lực, van điều chỉnh và hệ thống dẫn. Hệ thống thủy lực điện từ bao gồm nguồn điện, các động cơ điện, rơle điện từ dây dẫn. Theo đặc điểm truyền mô men quay chúng đều có thể là hệ thống truyền lực có cấp hoặc vô cấp, điều khiển bằng cần số hoặc điều khiển tự động. 2.2.2 Hiện tượng tuần hoàn công suất trên xe ô tô hai cầu chủ động Sơ đồ cấu trúc hệ thống truyền lực hai cầu chủ động: Hình 2.9 Sơ đồ truyền lực xe ô tô hai cầ chủ động Động lực học kéo của xe có bốn bánh chủ động phụ thuộc vào sơ đồ dẫn động tới việc phân bố lực kéo giữa các bánh xe trước và sau. Hiện nay người ta dùng hai loại dẫn động: dẫn động cứng và dẫn động vi sai. những ô tô có dẫn động cứng hai trục chủ động hầu như luôn không có sự tương ứng động học giữa các bánh xe trên cầu trước và trên cầu sau, để hạn chế mức độ không tương ứng động học do dẫn động cứng gây ra, người ta sử dụng các loại xe có thiết kế hệ thống truyền lực bố trí vi sai nằm giữa cầu chủ động trước và sau. Đối với xe có hai cầu nối cứng, khi chuyển động trên mặt đường bằng phẳng, có sự không tương ứng động học giữa các bánh xe: tốc độ vòng lý thuyết của bánh trước và bánh sau khác nhau trong khi cùng vận tốc tịnh tiến, nguyên nhân có thể sai lệch bánh xe, độ mài mòn, áp suất khí trong lốp, sự dao động của tải trọng thẳng đứng. Sự cân bằng vần tốc tịnh tiến của hai trục chủ động chỉ đạt được khi có sự trượt quay hoặc lê của các bánh xe. Trong trường hợp xe quay vòng, mỗi trục của xe phải cùng lúc đi được những quãng đường khác nhau, nhưng hai trục lại được xem như gắn với khung cùng một vận tốc tịnh tiến. không thể đảm bảo sự đồng bộ vận tốc vòng của các bánh xe trước và sau trên thực tế. sự cân bằng vận tốc chỉ đạt được trong điều kiện có sự trượt quay hoặc trượt lê của bánh xe, vì sự trượt quay làm giảm vận tốc tịnh tiến, còn trượt lê làm tăng vận tốc tịnh tiến của bánh xe. Đánh giá không tương thích động học giữa các cầu chủ động bằng hệ số không tương thích động học k k = vt2/vt1 Trong đó vt2 và vt1 là vận tốc lý thuyết tương ứng của bánh sau và bánh trước. Khi di chuyển trên đường do vận tốc thực tế của hai cầu phải bằng nhau do đó nếu gọi độ trượt tương ứng của cầu chủ động sau và trước là và ta có điều kiện cân bằng như sau: Ta có: (2.11) Giả định các bánh xe cầu sau quay nhanh hơn bánh xe cầu trước. Tri số trong trường hợp này có giá trị dương, vì các bánh xe quay nhanh bao giờ cũng làm viêc với mức độ trượt quay nào đó. Còn các bánh xe quay chậm, độ trượt có thể có giá trị âm, dương hay bằng không. Nếu giá trị này âm, các bánh xe quay chậm sẽ bị trượt lê, nếu bằng không bánh xe lăn không trượt quay, trượt lết, nếu dương thì bánh xe trượt quay, nhưng tri số trượt quay nhỏ hơn bánh xe quay nhanh hơn. Chỉ tiêu kéo tốt nhất khi có hệ số k = 1. khi đó, các bánh xe ở hai cầu chủ động đều quay với cùng một độ trượt như nhau. Khi tồn tai sự không tương ứng động học, chất lượng bám của các bánh xe quay chậm sẽ được sử dụng ở mức độ nhỏ hơn so với chất lượng bám của các bánh xe quay nhanh. Độ không tương ứng động học càng lớn thì chất lượng bám của bánh xe trên hai trục càng khác nhau, xấu nhất khi bánh xe quay chậm bị trượt lết, trong trường hợp này thì các bánh này đã trở thành bị động. d1 0 k =1 d2 k >1 Hình 2.10 Quan hệ động học giữa hai cầu chủ động Trong trường hợp xe có các bánh sau quay nhanh, bánh trước bị trượt lết sẽ xuất hiện công suất ký sinh không có lợi cho xe, cơ chế như sau: Các bánh xe trước sẽ chịu tác động của lực kéo tiếp tuyến âm –pk’’ có chiều ngược lại với chiều chuyển động của xe. lực này tạo nên một mô men xoắn, truyền tới bánh sau qua hệ thống truyền lực, cùng với mô men từ động cơ tạo nên lực kéo tiếp tuyến dương pk’ tại các bánh sau. Một phần lực kéo tiếp tuyến pk’ được truyền qua khung tới các bánh quay chậm để khắc phục lực kéo tiếp tuyến âm pk’’. Như vậy công suất được tạo bởi –pk’’ được lưu thông theo một vòng khép kín. Phần công suất này gọi là công suất ký sinh. Công suất ký sinh không phải là nguồn năng lương bổ xung mà chỉ gây thêm tải trọng phụ cho hệ thống truyền lực và tăng tổn thất cơ khí. Công suất ký sinh phát sinh rõ nét khi làm việc trong những điều kiện mà không cho phép nhận được sự khác biệt cần thiết về trị số độ trượt giữa các bánh chủ động cầu trước và cầu sau để bù lại sự không tương ứng động học giữa chúng. Hiện tượng lưu thông công suất cũng suất hiện ở xe có vi sai giữa các cầu chủ động khi vi sai gài cứng. 2.2.3 Phân bố lực kéo tới các bánh xe chủ động 2.2.3.1 Lực kéo tiếp tuyến trên xe một cầu chủ đông Lực kéo cực đại: Pkmax = Khi điều kiện chuyển động ở hai bánh xe khác nhau, tức là có và Do đặc điểm của vi sai nên lực kéo có ích sẽ cho bánh xe có hệ số bám nhỏ là . Lực léo lớn nhất tại cầu chủ động là: Pkmax = 2Pkmin = . (2.12) Với điều kiện chuyể động tương tự, nếu không có vi sai thì các bánh xe ở hai bên có thể được coi là nối với nhau bằng một trục cứng. Trong trường hợp này lực kéo cực đại có thể phát huy được tại cầu chủ động là: Pkmax = (2.13) Như vậy khi không có vi sai giữa các bánh thì lực kéo cực đại trên cầu chủ động có thể lớn nhiều khi có vi sai. Khi sử dụng loại vi sai tăng nội ma sát, lực kéo cực đại phát huy trên cầu chủ động là: Pkmax = Pk1+Pk2 = Pk1+ (2.14) : Hệ số khóa vi sai Đặt tỷ số , gọi là hệ số bám hiệu dụng. Như vậy đối với vi sai tăng nội ma sát, hệ số bám hiệu dụng sẽ là: (2.15) Mối quan hệ giữa các lực kéo và hệ số bám được thay bằng việc xét mối quan hệ giữa hệ số bám hiệu dụng và hệ số bám nhỏ nhất. 2.2.3.2 Lực kéo tiếp tuyến trên xe hai cầu chủ động Xe ô tô hai cầu chủ động có trọng lượng bám phân bố trên cả hai cầu, và là trọng lượng của xe. Trong các nghiên cứu trước đây lực kéo của xe phụ thuộc vào hệ số bám của bánh xe và mô men ma sát vi sai. Pkmax = f() ở trường hợp ô tô sử dụng bộ vi sai giữ các bánh xe là loại tăng nội ma sát, lực kéo cực đại trên các bánh xe tại cầu trước và cầu sau có thể tính theo công thức: (2.16) Đặt tỷ số:, gọi là hệ số bám hiệu dụng của xe ô tô có bốn bánh chủ động. Khi đó, công thức tính lực kéo tổng cộng được viết lại theo hệ số bám hiệu dụng là: (2.17) CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MATLAB – SIMULINK KHẢO SÁT QUÁ TRÌNH KHỞI HÀNH VÀ TĂNG TỐC CỦA Ô TÔ 3.1 Mô hình khởi hành và tăng tốc của ô tô Khối ly hợp kết hợp giữa động cơ và hộp số, tham số điều khiển ly hợp là lực ép p lên các bề mặt ma sát. Các thông số động lực học của ly hợp gồm: mô men động cơ (Md), mô men ma sát (Mms), lực ép lên các bề mặt ma sát (P), mô men quán tính thành phần chủ động và bị động (Icd, Ibd),vận tốc góc và gia tốc góc phần chủ động và bị động. Mcd: Mô men động cơ truyền lên khâu chủ động Jcd, : Mô men quán tính và gia tốc phần chủ động Jbd, : Mô men quán tính và gia tốc phần bị động Mms: mô men ma sát; Mc: Mô men cản quy dẫn về trục bị động của ly hợp P: Áp lực nên bề mặt ma sát Áp dụng nguyên lý D’Almber, ta có phương trình động lực học của phần chủ động và bị động: + Khi đóng ly hợp hoàn toàn, tức là không có sự trượt giữa phần chủ động với phần bị động, hay , ta có: Mdc – Mc = 3.2 Ứng dụng Matlab – Simulink khảo sát qúa trình khởi hành và tăng tốc của ô tô UAZ31512 3.2.1 Giới thiệu về Matlab – Simulink Để giải mô hình toán đã xây dựng, ta sử dụng phương pháp mô phỏng. Đây là cách thức mô phỏng thông qua các vật chuẩn và liên kết vật chuẩn có sẵn trong thư viện của phần mềm chuyên dụng. Để thực hiện theo phương pháp này, ta chia hệ thống nghiên cứu thành các khối và liên kết chúng lại thông qua các đường nối. Hệ thống truyền lực của ô tô có thể chia thành các khối liên kết với nhau nhờ các trục nối và trục liên kết, gồm: khối động cơ, khối ly hợp và hộp số, khối truyền lực cuối cùng, khối bánh xe.hiện nay có rất nhiều phần chuyên dụng như Alaska, Adam, Matrix và matlab với thư viện SIMDRIVELINE. Việc mô phỏng được thực hiện bằng cách phát triển các khối sơ đồ mô phỏng, sử dụng các khối được định nghĩa từ trước như: khối tổng, khối tích phân, khối nhân hệ số, các khối hiển thị,.... mà các khối này đã chứa đựng các dữ liệu định nghĩa, các phương trình vi phân hay tích phân của hệ thống. Hiện nay ở nước ta, phần mềm matlab là một trong những phần mềm khá thông dụng và có nhiều tác giả nghiên cứu nên ta chọn phần mềm này để làm công cụ nghiên cứu. Simulink là phần chương trình mở rộng của Matlab nhằm mục đích mô hình hoá, mô phỏng và khoả sát các hệ thống động học. Giao diện đồ hoạ trên màn hình Simulink cho phép thể hiện hệ thống dưới dạng sơ đồ tín hiệu với các khối chức năng quen thuộc. Simulink cung cấp cho người sử dụng một thư viện rất phong phú, có sẵn với số lượng lớn các khối chức năng cho các hệ tuyến tính, phi tuyến và gián đoạn. Hơn thế, người sử dụng có thể tạo khối cho riêng mình. Một tính năng đặc biệt khác của Simulink là có thể nhận tín hiệu trực tiếp từ các phần mềm khác giống như nhận tín hiệu từ bên ngoài vào để xử lý của một số phần mềm Dasylab...sau khi xử lý nó có thể phản hồi tín hiệu trở lại để điều khiển đối tượng đó. . Hình 3.1: Màn hình Matlab Trên hình 3.1 thể hiện màn hình làm việc của Matlab, đây là màn hình chính điều khiển toàn bộ tất cả các quá trình diễn ra ở Matlab Hình 3.2- Màn hình xây dựng sơ đồ khối (New model window) Trên hình 3.2 biểu diễn một màn hình mới chuẩn bị cho quá trình lập trình với các phần tử có sẵn trong Matlab-Simulink. Simulink là một toolbox của matlab, dùng để mô phỏng động học một cách nhanh chóng và thuận tiện. Thông thường công cị này được dùng thiết kế hệ thống điều khiển, hệ thống thông tin và các ứng dụng mô phỏng khác, cho phép mô tả hệ thống tuyến tính, hệ thống phi tuyến, các mô hình trong miền thời gian liên tục và gián đoạn cho kết quả nhanh chóng và chính xác. Bộ lệnh của phần mềm này lên tới hàng nghìn và được mở rộng thông qua các hàm tạo lập bơi người sử dụng, hay thông qua các thư viện. Simulink sử dụng giao diện đồ họa xây dựng và sử dụng mô hình bằng cách lựa chọn các đối tượng có sẵn trong thư viện của Simulink vào hệ thống, nhờ vậy mô hình được quan sát một cách trực quan. Hình 3.3 Hệ thống thư viện phần mềm Matlab - Smulink Continuous: các phần tử liên tục Discontinuous: các phần tử không liên tục Look-up Table: tổ hợp bảng tìm kiếm Math operation: tổ hợp sử lý toán học Mode-Verification: tổ hợp mô đun kiểm tra Mode- Wide Utilities: tổ hợp mô dun tiện tích mở rộng Porte & Subsystems: tổ hợp các phần tử mô phỏng Signal routing: định tuyến tín hiệu Signal Attributes: tổ hợp các thuộc tính tín hiệu Sinks: tổ hợp biểu diễn tín hiệu Sources: tổ hợp nguồn tín hiệu User-Defined Function: tổ hợp hàm xác định bởi người sử dụng Từ phiên bản 7.04, Matlab có thêm Simdriveline là chương trình phát triển của simulink nhằm mục đích mô hình hóa, mô phỏng, khảo sát động lực học của cơ hệ dọc theo dòng lực trong cơ hệ. Simdriveline cung cấp cho người sử dụng một thư viện đủ để biểu diễn và tính toán động lực học cho cho vật và hệ vật, đặc biệt là hệ thống truyền động, truyền lực trên các loại xe,… Simdriveline có thể liên kết trở lại với Matlab-Simulink để thay đổi các thông số cho phù hợp với các bài toán thật. Hình 3.4 Thư viện của Simdriveline Dynamic Elements: các phần tử động lực, gồm các khối như bộ ly hợp, biến mô men, bộ lò xo-giảm chấn, bộ hãm cứng. Gears: các bộ truyền bánh răng, gồm các bộ truyền bánh răng như cặp bánh răng đơn, cặp bánh răng có tỷ số truyền thay đổi, bộ truyền hành tinh, bộ truyền vi sai… Sensors & Actuators: bộ phát mô men, gồm các khối kích động bằng lực và chuyển động, các cảm biến đo chuyển động và lực, khối điều kiện đầu. Solver & Interias: khối môi trường, quán tính, gồm các khối môi trường ngoài, giá và vỏ hộp, các chi tiết chuyển động quay và môi trường trung gian. Transmission Templates: khối hộp số chuẩn, gồm các hộp số hành tinh khác nhau. Utlities: cổng kết nối Vehicle Comonents: các phần tử xe, gồm các khối mô hình động cơ đốt trong, khối mô hình lốp và khối mô hình động lực học dọc của ô tô. Các khối cơ bản: Khối Driveline Environment (khối môi trường): chỉ định chế độ tính toán mô phỏng động lực học hoặc chế độ mô phỏng tuyến tính. Ở chế độ mô phỏng động lực học, Simdriveline sẽ giải phương trình chuyển động của hệ thống theo các bước thời gian bắt đầu từ điều kiện đầu và sử dụng các mô men, ràng buộc,… Với chế độ tuyến tính hóa Simdriveline cũng giải phương trình chuyển động của hệ thống theo thời gian nhưng nó đơn giản hóa sử lý của một số khối nhất định. Khối share Environment (chia sẻ môi trường): là khối được dùng để nối các sơ đồ khối Simdriveline thành một sơ đồ chung với môi trường xác định thống nhất. Nó là sự kết nối phi vật lý nên không truyền bất kỳ đại lượng vật lý nào qua lại giữa hai sơ đồ. Khối Hard Stop: để mô tả sự nối hai trục quay với nhau bằng nội lực lò xo giảm chấn quan hệ với góc và vận tốc góc dịch chuyển tương đối của hai trục đo. Khi góc dịch chuyển tương đối của hai trục đó lớn hơn giá trị giới hạn trên hay nhỏ hơn giá trị giới hạn dưới thì nội lực lò xo, hệ số cản giảm chấn xuất hiện trong các khớp nối. Các giá trị độ cứng của lò xo, hệ số giảm chấn cũng như các giá tri giới hạn trên và dưới được nhập vào từ hộp thoại của khối. Khối Innitial Condition: thiết lập giá trị vận tốc góc ban đầu khác không cho một trục quay. Khối motion actuator: kích động một trục quay với chuyển động cụ thể. Các giá trị thiết lập có thể là vận tốc góc hoặc gia tốc góc. Khối motion sensor: đo chuyển động của một trục quay bằng cách nối khối với trục quay cần đo. Đầu ra của khối có thể bao gồm chuyển vị, vận tốc, gia tốc tùy theo lựa chọn trong hội thoại của khối. Khối Torque actuator: đặt một mô men vào một trục quay Khối Torque sensor: đo mô men xoắn trên một trục bằng cách nối khối này vào trục cần đo, khối này không có tham số cần thiết lập. Khối Connection Port: tạo cổng nối vật lý cho một mô hình con, ta cần đánh số cho cổng nối và định vị của cổng nối ở bên trái hay bên phải của mô hình con. 3.2.2 Mô hình toán khối ly hợp Khối ly hợp kết hợp giữa động cơ và hộp số, tham số điều khiển ly hợp là lực ép p lên các bề mặt ma sát. Các thông số động lực học của ly hợp gồm: mô men động cơ (Md), mô men ma sát (Mms), lực ép lên các bề mặt ma sát (P), mô men quán tính thành phần chủ động và bị động (Icd, Ibd),vận tốc góc và gia tốc góc phần chủ động và bị động. Hình 3.5 Mô hình vật lý khối ly hợp ma sát khô Mcd: Mô men động cơ truyền lên khâu chủ động Jcd, : Mô men quán tính và gia tốc phần chủ động Jbd, : Mô men quán tính và gia tốc phần bị động Mms: mô men ma sát; Mc: Mô men cản quy dẫn về trục bị động của ly hợp P: Áp lực nên bề mặt ma sát Áp dụng nguyên lý D’Almber, ta có phương trình động lực học của phần chủ động và bị động: (3.1) (3.2) + (3.3) Khi đóng ly hợp hoàn toàn, tức là không có sự trượt giữa phần chủ động với phần bị động, hay , ta có: Mdc – Mc = (3.4) Mô men ma sát được xác định theo công thức: (3.5) Trong đó: Icd, Ibd: mô men quán tính phần chủ động, phần bị động vận tốc góc phần chủ động, phần bị động hệ số ma sat, số đĩa ma sát Pmax: áp lực lớn nhất lên bề mặt đĩa ma sát Rrb: bán kính trung bình đĩa ma sát Pmin: tín hiệu áp lực vào Pgh: giới hạn áp suất nhỏ nhất 3.2.3 Mô hình toán hộp số có cấp: Hình 3.6 Mô hình vật lý khảo sát hộp số có cấp đơn giản Hộp số có cấp đơn giản gồm các cặp bánh răng ăn khớp có trục quay cố định, với các tỷ số truyền khác nhau. Mô hình khảo sát thực chất là một cặp bánh răng ăn khớp. Sử dụng nguyên lý D’Alambert xây dựng các phương trình chuyển động của cơ hệ. Thay bánh răng liên kết số 1 và số 2 bằng mô men M1, M2 ta có: Phương trình chuyển động của cụm bánh răng số 1: Me – M1 – J1. Phương trình chuyển động của cụm bánh răng số 2 M2 – Me – J2. M1 = Do đó ta có phương trình vi phân mô tả chuyển động của hộp số có cấp đơn giản như sau: (3.6) 3.2.4 Mô hình toán tương tác bánh - đất 3.2.4.1 Động lực học bánh xe bị động Trường hợp tổng quát là bánh xe đàn hồi lăn trên nền đường biến dạng. Trong trường hợp này cả bánh xe và mặt đường đều biến dạng. Sơ đồ lực tác dụng như hình vẽ. Trong đó: G: là tải trọng đặt nên bánh xe; PT: Lực đẩy từ khung máy(lực chủ động); Mj: Mô men của lực quán tính tiếp tuyến; R: Hợp lực của phản lực mặt đường tác dụng lên bánh xe; X: Thành phần phản lực theo phương ngang; Y: Thành phần phản lực theo phương thẳng đứng. Trong trường hợp này điểm đặt của phản lực R dịch đi một đoạn theo chiều chuyển động của xe và dịch nên phia trên một đoạn. Khoảng cách từ phương của thành phần phản lực nằm ngang X đến tâm quay bánh xe được gọi là bán kính động lực học, ký hiệu rd. Hình 3.7 Sơ đồ lực tác dụng lên bánh bị động Áp dụng nguyên lý D`Almber, cân bằng lực theo phương x, phương y và mô men đồi với tâm 0 ta nhận được: (3.7) Phương trình vi phân chuyển động: (3.8) Trong đó: Yc=Gc=Mf gọi là mô men cản lăn; c hệ số ma sát lăn; gọi là lực cản lăn; rd bán kính động lực học. Lực cản lăn có thể tính theo tả trọng pháp tuyến : hệ số cản lăn. Hệ số cản lăn phụ thuộc vào độ sâu vết bánh xe , tức là phụ thuộc tính chất cơ lý của đất, kích thước bánh xe và tải trọng pháp tuyến Khi chuyển động đều Pj=0, ta có : Xrd = PTrd = Mf Pf = X = PT Như vậy lực đẩy cần thiết để bánh xe có thể lăn được là PT Pf = f.G 3.2.4.2 Động lực học bánh xe chủ động Trường hợp tổng quát là bánh xe đàn hồi lăn trên đường biến dạng. Trong trường hợp này cả bánh xe và mặt đường đều bị biến dạng. Sơ đồ lực và mô men tác dụng lên bánh xe thể hiện ở hình vẽ. Hình 3.8 sơ đồ lực và mô men tác dụng lên bánh xe chủ động Trong đó: Gk: tải trọng tác dụng lên bánh xe Mk: mô men chủ độn; PT: lực cản từ khung máy kéo; Pj: lực quán tính; Mj: mô men cản lực tiếp tuyến; R: phản lực tổng hợp; Y: phản lực pháp tuyến; X: phản lực tiếp tuyến; : tốc độ quay; r0: bán kính danh nghĩa; rk: bán kính động lực học; h: độ lún mặt đường; D1: biến dạng lốp; c: độ dịch chuyển của tâm hợp lực. Áp dụng nguyên lý D`Almber, xét cân bằng lực và mô men ta có hệ phương trình: (3.9) Phương trình vi phân chuyển động của bánh xe chủ động: (3.10) J – mô men quán tính khối lượng bánh xe; m – khối lượng bánh xe: m = Gk/g; Mf – mô men cản lăn: Mf = Yc = Gc Chia hai vế (3.15) cho rk ta được: Lực kéo tiếp tuyến: Lực cản lăn: . 3.2.5 Phương trình vi phân khi khởi hành và tăng tốc Các lự tác dụng lên bánh xe bao gồm: lực kéo (Xi), lực cản lăn (Pfi); các lực phản bên (Si), các mô men quay cản của bánh xe (Msi). Trọng tâm ô tô T đặt cách tâm trục cầu sau một đoạn là b; cách tâm trục cầu trước một đoạn là a. Chiều dài cơ sở là l = a+b. Lực cản của không khí (kể cả của gió) đặt tại điểm C cách trọng tâm một đoạn là e và chia làm hai phần. Lực cản không khí theo phương dọc x là Pw và lực gió bên là N. Hình 3.9 Mô hình lực và mô men tác dụng thân xe ô tô Áp dụng nguyên lý D’Alamber, phương trình cân bằng các lực và mô men: Đối với trục dọc ô tô (2.41) Đối với trục ngang ô tô (2.42) Phương trình cân bằng mô men đối với trong tâm ô tô T (2.43) Bài toán khảo sát đặt ra trong trường hợp chuyển động thẳng , không có lực đẩy gió ngang (N=0), bỏ qua ảnh hưởn của các mô men đàn hồi bánh xe Msi, khảo sát trong giới hạn góc cho phép tức đủ nhỏ để sin. Khi đó ta có hệ phương trình vi phân chuyển động: Đối với trục doc ô tô (2.44) Đối vơi trục ngang ô tô (2.45) Phương trình cân bằng mô men đối với trong tâm ô tô T (2.46) Đặt A = (S1+S2-S3-S4), B = C = Thay vào các phương trình trên, ta được phương trình vi phân chuyển động thẳng của xe: (2.47) 3.3 Mô hình mô phỏng khối động cơ Hình 3.10 Khối mô phỏng động cơ xăng Động cơ là một nguồn động lực trên xe, có nhiệm vụ chuyển hóa năng thành nhiệt năng và từ nhiệt năng thành cơ năng. Mô phỏng quá trình này là một vấn đề phức tạp. trong lĩnh vực khảo sát động lực học xe, người ta thường khảo sát động lực học động cơ qua đặc tính tốc độ, là đặc tính biểu diễn mối quan hệ giữa công suất (Ne), mô men (Me), và công suất tiêu hao nhiên liệu (ge) của động cơ theo tốc độ quay của trục khủy (ne) ở các vị trí cung cấp nhiên liệu khác nhau. SimDriveline có mô hình động cơ đơn giản gồm động cơ xăng và động cơ diezen. Khối động cơ xăng được mô tả gồm: thùng nhiên liệu, bộ phận phát tia lửa điện, cơ cấu điều chỉnh tốc độ, khi động cơ quay chạy ở tốc độ trung bình, ta có thể điều chỉnh tốc độ quay của động cơ với một van tiết lưu mô phỏng. tín hiệu phát ra của van tiết lưu trực tiếp điều chỉnh mô men quay do động cơ phát ra ngoài, đồng thời cũng là điều chỉnh tốc độ quay động cơ. Nếu tốc độ động cơ tăng đến mức cực đại mà ta chọn thì mô men quay của động cơ giảm xuống bằng không. Khối mô hình này mô tả sự đốt cháy của nhiên liệu và không khí. Khối động cơ có một cửa nhậ tín hiệu mô phỏng từ van tiết lưu. Tín hiệu này đặc trưng cho mô men quay của động cơ, là một phần giá trị của mô men lớn nhất ở một chế độ ổn định của động cơ, thường nằm trong giới hạn từ 0 – 1, các tín hiệu của van tiết lưu nhỏ dưới 0 được coi là 0, các tín hiệu lớn 1 được cơi là 1. Để hạn chế việc khởi động lại máy và giá trị mô men từ số âm, các bộ phận cần đạt tới mức tối cao hơn tốc độ cao nhất của động cơ. Nếu ta chọn tốc độ cao nhất ở mức tối đa này thì simdriveline sẽ báo lỗi và ta cần khác cao hơn. Động cơ mẫu sử dụng chương trình diễn tả mối quan hệ giữa mô men quay và tốc độ động cơ được điều khiển theo tín hiệu vam tiết lưu. Mẫu động cơ này cũng chỉ giá trị mô men quay theo yêu cầu ở một tốc độ góc nào đó khi động cơ ở trạng thái ổn định. 3.4 Mô hình mô phỏng khối ly hợp ma sát khô Bộ ly hợp ma sát truyền mô men quay giữa hai trục truyền là nhờ có trục truyền ma sát giữa các đĩa ma sát, lực ma sát giữa các đĩa có khả năng biến đổi được. khối ly hợp ma sát tiêu chuẩn gồm có đĩa ma sát động và đĩa ma sát cố định nằm trên hai trục. Hình 3.11 Mô hình mô phỏng ly hợp ma sát khô Sự truyền động được đánh gía theo mối tương quan truyền động giữa trục bị động F với trục chủ động B. Khối ly hợp ma sát có thể làm việc theo hai chiều: cho phép trục bị dẫn quay hai chiều so với trục chủ động. Hoặc làm việc theo một chiều nhất định tức là cho phép trục bị động quay theo một chiều xác định. Khớp ly hợp cần có tín hiệu áp lực vào dạng vô hướng P để điều khiển lực ma sát tác động, tín hiệu này phải dương hoặc 0, nếu nhỏ hơn 0 sẽ được hiểu là 0. Khối ly hợp và quá trình tác động: Khớp ly hợp có thể làm việc ở ba trạng thái: + Không được nối: Giữa các bề mặt tiếp xúc không có ma sát vì chúng không tiếp xúc. Trục dẫn và trục bị dẫn quay độc lập với nhau, không có sự truyền mô men. + Được nối một phần: Các bề mặt quay trượt nên nhau. Trục dẫn và trục bị dẫn quay độc lập nhưng có truyền một trị số mô men nhất định. + Được nối hoàn toàn : Các bề mặt quay không trượt, trục bi dẫn và trục dẫn được nối cứng thành một trục, mô men lớn nhất có thể được truyền hoàn toàn. Mô hình gồm các yếu tố: - Lựa chọn chiều quay của trục bị động theo một hướng nhất định hoặc quay hai chiều so với trục chủ động. - Số lượng bề mặt ma sát - Bán kính làm việc trung bình của đĩa ma sát - Áp lực lớn nhất của lò so ép - Tín hiệu áp lực lò xo ở trạng thái bình thường và trạng thái tới hạn. 3.5 Mô hình mô phỏng hộp số có cấp đơn giản Hình 3.12 Mô hình mô phỏng hộp số cơ khí đơn giản một số truyền Mô hình khảo sát động lực học hộp số cơ khí đơn giản một số truyền sử dụng khối SimGear và khối Inerias trong thư viện Simdriveline. Tỷ số tuyền được thay đổi trong đặc tính của khối SimGear, mô men quán tính các bánh răng được đưa vào khối Ineias. Hộp số của xe có nhiều số truyền, liên kết nhiều mô hình thu gọn của hộp số một cấp để xây dựng hộp số cơ khí nhiều cấp. Hình 3.13 Mô hình mô phỏng hộp số cơ khí có 5 số truyền 3.6 Mô hình khảo sát mối quan hệ đất – bánh Mô hình mối quan hệ đất - bánh trong Simulink – Simdriveline Hình 3.14 mô hình mô phỏng mối quan hệ đất bánh Khối này mô tả quá trình tường tác giữa bánh xe với mặt đường, mô men quay tác động lên bánh xe được truyền thông qua trục truyền và cổng nối. tải trong thẳng dứng Fz và vận tốc dọc Vx của xe được coi là tín hiệu vào, lực dọc Fx và vận tốc góc của bánh xe được coi là tín hiệu ra. Tải trọng thẳng đứng (do tải trọng của xe tác dụng lên mặt đường ) Fz là dương nếu nó hướng lên trên. Lực dọc có chiều dương hướng theo chiều tiến của xe. Khi lực này nhỏ hơn 0, lực dọc trục sẽ biến mất (lốp xe tách khỏi mặt đất). Hình 3.15 bảng thiết lạp các thông số cho bánh xe Các yếu tố đầu vào của mô hình: - Bán kính làm viẹc trung bình của xe: rb được tính từ tâm bánh xe đến điểm tiếp xúc với mặt đất (điểm đặt lực dọc). - Tải trọng thẳng đứng Fz. - Lực dọc Fx: lực kéo cực đại tương ứng với tải trọng đã chọn. - Giá trị hệ số ma sát trượt khi lực dọc đạt giá trị cực đại ở tải trọng đã chọn, đơn vị tính theo %. Hệ số biến dạng : thể hiện sự chống lại tức thời của lực dọc với tải trọng. 3.7 Mô phỏng khối thân xe Khối động lực học ô tô trong mặt phẳng dọc: mô tả các quá trình động lực học trong mặt phẳng dọc của ô tô 4x2. Cần thiết lâp các tham số động lực học của ô tô như khối lườn ô tô, tọa độ trọng tâm, diện tích cản chính diện, hệ số khí động học của không khí. Các đầu vào của khối này gồm các lực dọc tại các bánh xe cà độ dốc của mặt đường. Các thông số ra là vận tốc chuyển động và các phản lực thẳng đứng của mặt đường tác dụng tại bánh xe. Hình 3.16 Mô hình mô phỏng khối thân xe Các yếu tố cần thiết lập cho mô hình: - Khoảng cách từ trọng tâm (CG) tới trục trước, trục sau và tới mặt đất. - Diện tích cản chính diện . - Hệ số cản khí động (CD). - Khối lượng xe - Vận tốc dọc ban đầu - Giá trị ban đầu về vận tốc gió ngang tác động vào xe. Hình 3.17 Các thông số cần thiết lập cho khối thân xe 3.8 khảo sát quá trình khởi hành và tăng tốc 3.8.1 Chạy thử mô hình Trong mô hình bánh xe, các thông số thiết lập không có hệ số bám, mà đưa hệ số bám mặt đường thông qua lực kéo tiếp tuyến cực đai dưa trên mối quan hệ: Fx = .Fz Đường đặc tính của động cơ được xác định theo công thức S.R. Lây đecman có dạng như sau: Trong đó: ne, nN: tốc độ động cơ tại một điểm trên đường đặc tính ngoài và tốc độ động cơ khi công suất có ích đạt cực đại. a,b,c: các hệ số thực nghiệm, đối cới động cơ xăng lấy a=b=c=1. Thông số đầu vào để chạy thử mô hình : tốc độ ban đầu của động cơ là 3200 vòng/phút, tăng ga đến 100%. Tín hiệu điều khiển ly hợp có dạng như hình 3.18 và 3.19 Quá trình khởi hành diễn ra như sau: Khi t=1, ly hợp bắt đầu đóng, tốc độ trục khủy tiếp tục tăng do trượt giữa đĩa chủ động và đĩa bị động của ly hợp, tốc độ đĩa bị động tăng dần. tại t=1,5, tốc độ trục khủy giảm. Khi t=4,5, tốc độ đĩa bị động ly hợp bằng tốc độ trục khủy. Tốc độ hệ tiếp tục tăng đến tốc cực đại và ổn định khi t=11. Kết quả biểu diễn đúng với mô hình toán ly hợp. Kết quả chạy thử mô hình: Hình 3.18 Đường đặc tính động cơ Hình 3.19 Khảo sát tốc độ ly hợp 3.8.2 khảo sát quá trình khởi hành và tăng tốc Các khối mô hình mô phỏng Hình 3.20 Mô hình tổng Hình 3.21 Khối điều khiển Hình 3.22 Khối hiển thị Các phương án khảo sát Phương án 1: Mức ga cực đại Phương án 2: Mức ga 50% Phương án 3: Gài một cầu(cho một cầu chủ động) ở mức ga 80% Phương án 4: Gài hai cầu(cho 2 cầu chủ động) ở mức ga 80% 3.8.3 kết quả và phân tích kết quả khảo sát Hình 3.23 Tín hiệu điều khiển chân ga và ly hợp phương án 1 Hình 3.24 Tín hiệu điều khiển chân ga và ly hợp phương án 2 Hình 3.25 Tín hiệu điều khiển chân ga và ly hợp phương án 3 và 4 1) Phương án 1: Mức ga tối đa * Kết quả khảo sát phương án 1: Hình 3.26 Đồ thị tốc độ ly hợp phương an 1 Hình 3.27 Đồ thị vận tốc tịnh tiến phương an 1 Tại thời điểm bắt đầu đóng ly hợp thì: Khi đóng ly hợp tốc độ quay của trục khủy động cơ giảm dần do trượt giữa đĩa chủ động và đĩa bị động của ly hợp , đồng thời tốc độ quay của trục sơ cấp hộp số tăng dần. Đến thời điểm t = 1.2s thì bằng nhau() và kết thúc quá trình trượt ly hợp tại đây và ô tô tăng dần vận tốc cho đến khi chuyển động độ ổn định tại thời điểm t =11.5s Tại thời điểm kết thúc quá trình của trượt ly hợp thì: 2) Phương án 2: Mức ga 50% * Kết quả khảo sát phương án 2: Hình 3.28 Đồ thị tốc độ ly hợp phương an 2 Hình 3.29 Đồ thị vận tốc tịnh tiến phương an 2 Tại thời điểm bắt đầu đóng ly hợp thì: Khi đóng ly hợp tốc độ quay của trục khủy động cơ giảm dần do trượt giữa đĩa chủ động và đĩa bị động của ly hợp , đồng thời tốc độ quay của trục sơ cấp hộp số tăng dần. Đến thời điểm t = 1.3s thì bằng nhau() và kết thúc quá trình trượt ly hợp tại đây và ô tô tăng dần vận tốc cho đến khi chuyển động độ ổn định tại thời điểm t = 18s (mất nhiều thời gian hơn phương án 1để vận tốc ổn định) Tại thời điểm kết thúc quá trình của trượt ly hợp thì: 3) Phương án 3: Gài 1 cầu(cho một cầu chủ động) ở mức ga 80% * kết quả khảo sát phương án 3: Hình 3.30 Đồ thị tốc độ ly hợp phương án 3 Hình 3.31 Đồ thị vận tốc tịnh tiến phương an 3 Tại thời điểm bắt đầu đóng ly hợp thì: Khi đóng ly hợp tốc độ quay của trục khủy động cơ giảm dần do trượt giữa đĩa chủ động và đĩa bị động của ly hợp , đồng thời tốc độ quay của trục sơ cấp hộp số tăng dần. Đến thời điểm t = 1 thì bằng nhau() và kết thúc quá trình trượt ly hợp tại đây và ô tô tăng dần vận tốc cho đến khi chuyển động độ ổn định tại thời điểm t = 12s Tại thời điểm kết thúc quá trình của trượt ly hợp thì: 4) Phương án 4: Gài 2 cầu (cho hai cầu chủ động) ở mức ga 80% * kết quả khảo sát phương án 4: Hình 3.32 Đồ thị tốc độ ly hợp phương án 4 Hình 3.33 Đồ thị vận tốc tịnh tiến phương án 4 Tại thời điểm bắt đầu đóng ly hợp thì: Khi đóng ly hợp tốc độ quay của trục khủy động cơ giảm dần do trượt giữa đĩa chủ động và đĩa bị động của ly hợp , đồng thời tốc độ quay của trục sơ cấp hộp số tăng dần. Đến thời điểm t = 1s thì bằng nhau() và kết thúc quá trình trượt ly hợp tại đây và ô tô tăng dần vận tốc cho đến khi chuyển động ổn định tại thời điểm t = 12s Tại thời điểm kết thúc quá trình của trượt ly hợp thì: 3.9.3 Nhận xét kết quả khảo sát - Ở trường hợp 1 và trường hợp 2: khi kết thúc quá trình trượt của ly hợp thì trường hợp 1 sẽ mất ít thời gian hơn trường hợp 2 là 0.1s và thời gian để xe chuyển động với tốc độ ổn định ở trường hợp 1 cũng it hơn trường hợp 2 la 6.5s. Tốc độ quay ở trường hợp 1 tại thời điểm kết thúc sự trượt của ly hợp là 240v/ph, ở trường hợp 2 là 260 v/ph. Như vậy khởi hành ô tô ở trường hợp 1 sẽ có lợi hơn rất nhiều so với trường hợp 2 - Ở trường hợp 3 và trường hợp 4: vì ở đây ta khảo nghiệm với điều kiện đường xá bình thường cho nên khi gài một cầu hay hai cầu thì vận tốc ly hợp vẫn như nhau. Do yếu tố tác động ảnh hưởng đến tốc độ ly hợp là lực cản lăn, mà ở điều kiện đường xá tốt thì lực cản này không ảnh hưởng nhiều lắm. Chính vì vậy mà khi gài một cầu hay hai cầu thì tốc độ ly hợp cũng như nhau. Kết thúc quá trình trượt của ly hợp tại thời điểm t = 1s, với = 215v/ph, và sau 12s thì xe sẽ chuyển động ổn định. CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 4.1 Kết luận chung Đề tài đã đề cập đến những vấn đề cơ bản khi nghiên cứu khảo sát quá trình khởi hành và tăng tốc của ô tô UAZ31512 như lực, mô men, cấu tạo hệ thống truyền lực và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khởi hành và tăng tốc của ô tô. Trên cơ sở xây dựng mô hình vật lý, mô hình toán cảu các phần tử trong hệ thống truyền lực và mô hình tương tác giữa các cụm máy trong sơ đồ truyền động, đồ án đã xây dựng mô hình thể hiện tính chất của quá trình khởi hành và tăng tốc của ô tô. Đã xây dựng mô hình khảo sát bằng phần mềm Matlab – Simulink – simdriveline, sử dụng thư viện Simdriveline cho kết quả tin cậy dung quy luật lý thyết, mô hình nghiên cứu có thể sử dụng dễ dàng để khảo sát quá trình khởi hành và tăng tốc của ô tô trong các đỉêu kiện khác nhau. 4.2. Hướng phát triển của đề tài Tiếp tục xây dựng mô hình để đánh giá chính xác hơn quá trình khởi hành và tăng tốc của ô tô UAZ31512 Chính xác các mô hình và kết quả nhận được bằng cách loại bỏ dần các giả thiết, tiến hành thí nghiệm đo các thông số. Nghiên cứu thêm một số yếu tố ảnh hưởng đến khởi hành và tăng tốc của xe như: lực, mô men, tải trọng, … TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bùi Hải Triều, Hàn Trung Dũng, Đặng Tiến Hòa, Nông Văn Vìn, Ô tô – Máy kéo, Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội 2001. [2] Nguyễn Ngọc Quế, Ô tô – Máy kéo và xe chuyên dụng, Nhà xuất bản nông nghiệp, Hà Nội 2007 [3] Nông Văn Vìn, Động lực học chuyển động Máy keo – ô tô, Nhà xuất bản nông nghiệp, Hà Nội 2000 [4] Vũ Đình Tiến, Khảo sát động lực học chuyển động thẳng xe ô tô hai cầu chủ động, Luận văn thạc sỹ, Đại học nông nghiệp Hà Nội 2009 [5] Nguyễn Hữu Cẩn, Phan Đình Kiên, Thiết kế và tính toán ô tô máy kéo, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật, Hà nội 1986 [6] Nguyễn Phùng Quang, Matlab & Simulink, Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội 2006 [7] Nguyễn Hoài Sơn, Đỗ Thanh Việt, Bùi Xuân Lâm, ứng dụng matlab trong tính toán kỹ thuật, Nhà xuất bản Đại học quốc gia Tp Hồ Chí Minh [8] Nguyễn Hoàng Hải, Nguyễn Việt Anh, Lập trình Matlab và ứng dụng, Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội 2005 [9] Một số trang web chuyên ngành kỹ thuật và ứng dụng phần mềm 1. 2. www.vocw.edu.vn/content/m10376/latest/ 3. 4. 5. MỤ LỤC LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • docxỨng dụng Simulink khảo sát tính chất khởi hành và tăng tốc của ô tô UAZ31512.docx
Luận văn liên quan