Nghiên cứu điều khiển lực kéo trên vi sai Torsen

Nội dung text: Nghiên cứu điều khiển lực kéo trên vi sai Torsen

1. NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN LỰC KÉO TRÊN VI SAI TORSEN A STUDY OF TRACTION MANAGEMENT IN TORSEN DIFFEETIAL KS. Nguyễn Trang Khôi Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh trangkhoi_spkt0111@yahoo.com Tóm tắt: Bài báo này cung cấp cho độc giả có cái nhìn rõ hơn về kiểm soát lực kéo phù hợp với các điều kiện bám của mặt đường. Các kết quả của sự phân phối mô men trên các bánh xe bên trái, bánh xe bên phải được thu thập, xử lý và hiển thị bằng phần mềm mô phỏng LabWIEW. Kết quả nghiên cứu là tài liệu phục vụ cho khai thác, sử dụng và cải tiến cầu xe tự động điều khiển lực kéo. Abtract: This article provides readers information to help them have a better insight in the traction management to mach available power to sticky road condition. The results of the distribution of torque on the front axle, rear axle and wheels on the left, the right wheel is collected, processed and displayed by LabVIEW software simulation. The study results is docoments for exploitation, using and improvement of automatic axle traction control Từ khóa: Kiểm soát lực kéo, vi sai Torsen, công suất, bánh răng xoắn. Keywords: Traction management, Torsen differetial, Power, helical gears 1. Giới thiệu Tính chất động lực học của ô tô là hết sức quang trong, nó quyết định chất lượng của xe, mà tính chất động lực học của ô tô quyết định chủ yếu là bởi lực kéo và sự phân phối lực kéo giữa các cầu và các bánh xe của ô tô. Lực kéo không thể lớn tùy ý mà nó phụ thuộc vào khả năng bám của các cầu và các bánh xe trên một cầu, tốt nhất là tất cả lực kéo từ động cơ truyền xuống phải được mặt đường tiếp nhận hết, tuy nhiên điều này không dễ xảy ra vì khi ô tô chuyển động thì tình trạng mặt đường và tải trọng pháp tuyến trên từng bánh xe thay đổi liên tục. Vì vậy việc phân phối lực kéo cho các cầu và các bánh xe trên Hình 2.1: Cấu tạo vi sai Torsen một cầu là vô cùng quang trong, nó quyết định việc tận dụng hết khả năng bám của mặt đường và ảnh hưởng đến 1,1’-bánh răng bán trục; 2,2’-bánh răng hành tinh; 3,3’- tính chất động lực học của ô tô bánh răng trụ thẳng; 4-vỏ hộp vi sai; S1, S2, S3- ly hợp đĩa ma sát; n,n’-trục bánh răng hành tinh; e,i-các bán trục. Để giải quyết vấn đề này các hãng ô tô như là Huyndai, Toyota, Audi, Merce des-Benz đã áp duṇ g một Trên hình 1 sử dụng cơ cấu vi sai đối xứng bánh răng số hệ thống cho viêc̣ điều khiển tự động vi sai trong cầu xe xoắn gồm có: Ba bộ cặp bánh răng hành tinh bố trí lệch chủ động trên môṭ số dòng xe , nhằm nâng cao tính chất nhau 120 độ, một bộ cặp bánh răng hành tinh ăn khớp với động lực học của ô tô là việc phân phối hợp lý công suất từ nhau bởi hai cặp bánh răng trụ thẳng 3, 3’. Hai bánh răng động cơ đến các bánh xe cầu chủ động bán trục 1, 1’ lần lượt lắp trên bán trục e, i và có thể trượt dọc theo trục e, i. Ba cặp bánh răng hành tinh 2, 2’ luôn Bài báo tập trung chủ yếu nghiên cứu một loại vi sai luôn ăn khớp với hai bánh răng bán trục 1, 1’với dạng răng hiện đại, đó là vi sai Torsen. Vi sai này tự động phân phối xoắn và có thể quay quanh tâm ba cặp trục n, n’. Ba cặp công suất cho các cầu và cho hai bánh xe trên một cầu theo trục n, n’ được lắp cố định với vỏ hộp vi sai 4. Vi sai điều kiện chuyển động của ô tô Torsen là vi sai đối xứng có ma sát, trong đó người ta cố 2. Cấu tạo, nguyên lý hoạt động cầu xe tự động điều tình lắp các đĩa ly hợp ma sát S1, S2, S3 tạo ra cơ cấu ma khiển sử dung vi sai Torsen. sát để làm giảm hiệu suất riêng vi sai ηr xuống tức là tạo ra tổn hao ma sát trong các đĩa ly hợp ma sát S , S , S 2.1. Cấu tạo vi sai Torsen. 1 2 3
2. Tổn hao ma sát trong các đĩa ly hợp ma sát S1, S2, S3 Trong đó: phụ thuộc vào: Pr : Công suất ở vỏ vi sai - Vật liệu và kích thước chế tạo các đĩa ly hợp ma Pe : Công suất ở trục quay nhanh sát: Không thay đổi trong quá trình ô tô chuyển động Pi : Công suất ở trục quay chậm - Tốc độ trượt (không có tổn hao ma sát nếu không có trượt) là chệch lệch vận tốc góc giữa hai bánh Mr : Mô men vỏ vi sai răng bán trục với vỏ vi sai Me : Mô men ở trục quay nhanh. - Áp lực (lực ép) tác dung lên S1, S2, S3 Mi : Mô men ở trục quay chậm. Ta xét ảnh hưởng của lực ép đến tổn hao ma sát trong ωr : Vận tốc góc ở vỏ vi sai các đĩa ly hợp ma sát S1, S2, S3 ωe : Vận tốc góc ở trục quay nhanh 2.2. Động lực học vi sai Torsen ωi : Vận tốc góc ở trục quay chậm ηr : Hiệu suất riêng vi sai Để tính mất mát trong vi sai do ma sát ta thừa nhận mô men ma sát Mfms khi có chênh lệch vận tốc góc giữa hai bánh xe, lúc này công suất mất mát do ma sát là: Pfms = Mfms.Δω (2.6) Tổng công suất đến hai truc bánh xe trái và phải: Pe + Pi =Pr -Pfms Me.ωe + Mi.ωi = Mr.ωr - Mfms.Δω (2.7) Thay (2.3) và (2.4) vào (2.7) ta có: M 0.5(M M ) (2.8) e r fms M 0.5(M M ) (2.9) i r fms Hình 2.2: Sơ đồ cầu xe tự động điều khiển sử dụng 2.3. Nguyên lý hoạt động vi sai Torsen vi sai Torsen Nhờ ăn khớp của ba cặp bánh răng hành tinh 2, 2’ Trong sơ đồ hình 2.2, chúng ta qui ước với: với hai bánh răng bán trục 1, 1’là dạng răng xoắn, khi có chệch lệch vận tốc góc giữa hai bánh răng bán trục sẽ sinh - Trục e là trục quay nhanh hơn, tức là trục bánh ra lực dọc trục làm dịch chuyển hai bánh răng bán trục 1, xe phía ngoài khi xe quay vòng hoặc là trục của bánh xe 1’ cùng ép các ly hợp đĩa ma sát S3 hoặc làm dịch chuyển trượt quay nhiều hơn bánh răng bán trục 1 ép các ly hợp đĩa ma sát S1 vào vỏ vi - Trục i là trục quay chậm hơn, tức là trục bánh xe sai 4 và làm dịch chuyển bánh răng bán trục 1’ ép các ly phía trong khi xe quay vòng hoặc là trục của bánh xe trượt hợp đĩa ma sát S3 vào vỏ vi sai 4. Tạo ra mô men ma sát quay ít hơn MS3, M’S3, MS1, MS2 trên các ly hợp đĩa ma sát S1, S2, S3. - Trục bên phải và trục bên trái theo hướng của Ta thấy lực ép tác dụng lên các ly hợp đĩa ma sát S1, người điều khiển xe S2, S3 thay đổi theo chế độ làm việc của cầu xe như sau: Sự phân phối công suất, mô men và vận tốc góc vỏ * Trạng thái xe quay vòng trên đường tốt: vi sai cầu sau xuống hai bánh xe được thể hiện qua các - Lực tác dụng trong vỏ vi sai như sau: mối quan hệ như sau: Khi xe quay vòng lực pháp tuyến F , F tác dụng lên P = M .ω (2.1) 1 1’ r r r hai bánh răng bán trục 1, 1’ P = P + P (2.2) r e i + Lực dọc trục. ωr = 0.5(ωe + ωi) (2.3) Pa1 = F1.cosα.sinβ Mr = Me + Mi (2.4) (2.10) Pa1’ = F1’.cosα.sinβ M e ηr (2.5) Trong đó: Mi Pa1 : Lực dọc trục của bánh răng bán trục 1
3. Pa1’ : Lực dọc trục của bánh răng bán trục 1’ * Trạng thái xe chuyển động thẳng trên đường bám kém α : Góc nghiêng răng β : Góc xoắn răng. - Lực tác dụng bên trong vi sai giống như trạng thái xe quay vòng trên đường bám tốt + Các mô men ma sát được biểu diễn bởi biểu thức: - Vận tốc góc và mô men xoắn được phân phối tới hai bán MS3 = Pa1.rtb1.μS3 trục như sau: M’S3 = Pa1’.rtb1’.μS3 + Vận tốc góc bánh xe bám kém ω (bánh xe quay e MS1 = Pa1.rtb1.μS1 nhanh hơn) sẽ tăng lên một lượng là Δω, còn vận tốc góc bánh xe bám tốt ω (bánh xe quay chậm hơn) sẽ giảm đi (2.11) i MS2 = Pa1’.rtb1’.μS2 một lượng là Δω: Trong đó: e r  (2.14) MS3: Mô men ma sát ly hợp đĩa ma sát S3 theo i r  chiều ép các ly hợp đĩa ma sát S từ bánh răng 1 3 + Mô men bánh xe bám kém M sẽ giảm đi một lượng vào bánh răng 1’ e là 0,5Mfms, còn mô men bánh xe bám tốt Mi sẽ tăng lên M’S3: Mô men ma sát ly hợp đĩa ma sát S3 theo một lượng là 0,5Mfms: chiều ép ngược với MS3 M e 0,5M r 0,5M fms (2.15) MS1: Mô men ma sát ly hợp đĩa ma sát S1 M i 0,5M r 0,5M fms MS2: Mô men ma sát ly hợp đĩa ma sát S2 Với: rtb1 : Bán kính trung bình mà lực dọc trục Pa1 tác Mfms = MS3 + M’S3 khi bánh xe bám kém e là dụng lên ly hợp đĩa ma sát S1, S3 bánh xe bên phải rtb1’ : Bán kính trung bình mà lực dọc trục Pa1’ M = M + M khi bánh xe bám kém e là tác dụng lên ly hợp đĩa ma sát S2, S3. (Vi sai đối fms S1 S2 bánh xe bên trái xứng rtb1 = rtb1’). μS1 : Hệ số ma sát ly hợp đĩa ma sát S1 3. Mô phỏng động lực học cầu xe tự động điều khiển sử dụng vi sai Torsen μS2: Hệ số ma sát ly hợp đĩa ma sát S2 Chúng ta nghiên cứu hai trường hợp: μS3 : Hệ số ma sát ly hợp đĩa ma sát S3 - Ban đầu xe chuyển động thẳng trên đường tốt có - Vận tốc góc và mô men xoắn được phân phối tới hai bán trục khi xe quay vòng như sau: = 0 = 0,85 và Ze = Zi = 0,5Zb = 3940 (N). Sau đó một bên bánh xe đi vào vùng xấu (bánh xe bám kém e), e sẽ bị + Vận tốc góc bánh xe i ωi (bánh xe quay chậm) sẽ giảm đi một lượng là Δω, còn vận tốc góc bánh xe e ωe giảm trong khoảng (0 ≤ e ≤ 0) (bánh xe quay nhanh) sẽ tăng lên một lượng là Δω: - Khi xe quay vòng trên đường tốt ( e = i = 0)    i r (2.12) nhưng do lực ly tâm, 0 ≤ Zi≤ 0,5Zb và 0,5Zb≤ Ze≤ Zb    e r Với: + Mô men bánh xe i M sẽ giảm đi một lượng là i 0 là hê ̣số bám lớn nhất của mặt đường 0,5Mfms, còn mô men bánh xe e Me sẽ tăng lên một lượng là 0,5Mfms: e là hệ số bám của bánh xe bám kém M 0,5M 0,5M i r fms (2.13) i là hệ số bám của bánh xe bám tốt M e 0,5M r 0,5M fms Zb là phản lực thẳng đứng từ mặt đường tác dụng Với: lên hai bánh xe cầu sau Mfms = MS3 + M’S3 khi xe quay vòng bên trái Ze, Zi lần lượt là phản lực thẳng đứng từ mặt đường tác dụng lên bánh xe e, i Mfms = MS1 + MS2 khi xe quay vòng bên phải
4. 3.1. Trạng thái xe chuyển động thẳng trên đường 4. Kết luận bám kém: Giả sử hai bánh xe trên một cầu xe có thông số Bài báo bước đầu đã mô phỏng được quá trình phân sau: ω ≠ ω ; Z =Z ; φ ≠ φ e i e i e i phối mô men của cầu xe tự động điều khiển theo từng chế Ta xét trường hợp xe chuyển động với mô men xoắn độ làm việc của cầu xe. Trong đó, tác giả đã sử dụng phần cực đại ở tay số 1. mềm hỗ trợ mô phỏng LABVIEW để biểu diễn sự phân phối mô men theo hệ số bám và tải trọng của xe. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Tiến sĩ Lâm Mai Long, Giáo trình Cơ học chyển động ô tô, Thành phố Hồ Chí Minh, 2011, 112 trang. 2. Nguyễn Hữu Cẩn, Dư Quốc Thiṇ h , Phạm Minh Thái , Nguyêñ Văn Tài , Lê Thi Ṿ àng , Lý Thuyết ôtô máy kéo , Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuâṭ , Hà Nội,1996, 359 trang. Hình 3.1: Đồ thị đặc tính phân phối mô men ở tay số 1 3. Nguyễn Hữu Cẩn, Phan Đình Kiên , Thiết kế và tính thay đổi theo hệ số bám φe toán ôtô máy kéo (tập 3), Nhà xuất bản Đại học và Trung học chuyên nghiệp, Hà Nội,1985, 233 trang. Nhận xét: Sự phân bố lại mô men ở tay số 1 phù hợp với điều 4. John W. H. Trout, The Analysis And Testing Of The kiện bám của hai bánh xe với mặt đường, điều này có Quaife Torque-Biasing Differrential; Master Of Science In nghĩa là bánh xe bám tốt hơn sẽ nhận được nhiều mô men Mechanical Engineering, The University Of Texas At hơn bánh xe bám kém. Tuy nhiên ở tay số 1 có tổn hao mô Arlington May 2011. men khi φe giảm trong khoảng , tổng mô (0 e 0,226) 5. S E CHOCHOLEK, The development of a differential men đầu ra hai bán trục giảm for the improvement of traction control, BSME Gleason Corporation, Rochester, New York, United States of 3.2. Trạng thái xe quay vòng trên đường tốt: Giả sử America. hai bánh xe trên một cầu xe có thông số sau: ωe ≠ ωi; Ze ≠ Zi; φe = φi Ta xét trường hợp xe chuyển động với mô men xoắn cực đại ở tay số 1. Hình 3.2: Đồ thị đặc tính phân phối mô men ở tay số 1 thay đổi theo phản lực thẳng đứng Zi Nhận xét: Sự phân bố lại mô men ở tay số 1 phù hợp với điều kiện bám của hai bánh xe với mặt đường, điều này có nghĩa là bánh xe bám tốt hơn sẽ nhận được nhiều mô men hơn bánh xe bám kém và không có tổn hao mô men, tổng mô men đầu ra hai bán trục bằng mô men vỏ vi sai
5. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.