Thiết kế hệ thống điều khiển tự động ly hợp trên xe INNOVA j
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.33 MB, 103 trang )
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
NGUYỄN ĐỨC HOÀNG
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
LY HỢP TRÊN XE INNOVA J
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
Đà Nẵng – Năm 2017
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
NGUYỄN ĐỨC HOÀNG
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
LY HỢP TRÊN XE INNOVA J
Chuyên ngành : KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
Mã số
: 60.52.01.16
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. TS. NGUYỄN HOÀNG VIỆT
Đà Nẵng – Năm 2017
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tác giả luận văn
Nguyễn Đức Hoàng
“THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG LY HỢP TRÊN XE
INNOVA J”
Học viên: Nguyễn Đức Hoàng
Mã số: 60520116
Khóa: K30
Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực
Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN
Tóm tắt: Dựa vào nhiều ưu điểm của bộ truyền vi sai bánh răng côn và đặc điểm kết cấu
ly hợp ma sát, tác giả đã tính toán thiết kế hệ thống điều khiển tự động ly hợp trên xe Innova
J. Bộ truyền này sử dụng cơ cấu mở ly hợp loại dẫn động cơ khí điều khiển điện từ mà cường
độ dòng điện trong cuộn dây cơ cấu điện từ sẽ thay đổi tương ứng với tốc độ động cơ và tải
trọng của ô tô. Đặc điểm chủ yếu là dùng công cơ học để điều khiển ly hợp ma sát bằng cách
sử dụng năng lượng quay của trục khuỷu động cơ.
Giá trị lực ép của ly hợp có thể thay đổi một cách tự động theo số vòng quay của động cơ
và chế độ làm việc của ô tô.
Ly hợp được điều khiển tự động, chỉ phụ thuộc vào điều kiện chuyển động của ô tô.
Tự động hóa việc điều khiển ly hợp trên xe ô tô có ý nghĩa rất lớn trong việc làm đơn giản
và giảm nhẹ quá trình điều khiển ly hợp ma sát bằng hệ thống điều khiển tự động với kết
cấu đơn giản, giá thành thấp, tiêu tốn ít năng lượng và làm việc có độ tin cậy cao.
Trên cơ sở đó có thể ứng dụng vào điều khiển tự động ly hợp dùng cho các ô tô tương
đương; đồng thời mở ra hướng nghiên cứu tự động hoá quá trình điều khiển hộp số cũng như
một số cơ cấu khác trên ô tô, máy kéo.
Từ khóa: bộ truyền vi sai, cơ cấu điện từ, ly hợp ma sát, điều khiển tự động ly hợp, điều khiển
hộp số.
"DESIGNER CLUTCH AUTOMATIC CONTROL SYSTEM FOR INNOVA J"
Abstract - Based on the advantages of the planetary gear set and friction clutch structural
characteristics, the author has calculated the design of clutch automatic control system for
Innova J.
This transmission uses the clutch-opening mechanism of the electro-mechanicallycontrolled electromagnetic induction motor whose intensity in the coil of the electromagnetic
structure changes with respect to the engine speed and the load of the automobile. The main
feature is to use the mechanical work to control friction clutch by using the rotational power
of the crankshaft of the engine.
The clutch pressure value can be changed automatically according to the number of
revolutions of the engine and the working mode of the vehicle.
Clutches are controlled automatically, depending on the movement condition of the
vehicle.
Automation of clutch control in vehicles is of great significance in simplifying and
mitigating friction clutch control by automated control systems with simple, low cost, Low
energy consumption and high reliability.
Based on that, it can be applied to automatic clutch control for equivalent cars; and
simultaneously, it opens a new research approach to the automation of the gearbox control
process as well as some other structures in automobiles and tractors.
Key words - planetary gear set, electromagnetic, friction clutch, automatic clutch control,
gearbox control.
MỤC LỤC
Trang
MỞ ĐẦU…………………………………………………………………………………1
1. Sự cần thiết của đề tài……………………………………………………………………... 1
2. Mục đích và ý nghĩa của đề tài……………………………………………………………. 6
2.1. Mục đích của đề tài……………………………………………………………………….6
2.2. Ý nghĩa của đề tài………………………………………………………………………...7
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu………………………………………………………… 7
4. Phương pháp nghiên cứu………………………………………………………………….. 7
4.1. Nghiên cứu lý thuyết……………………………………………………………………..7
4.2. Nghiên cứu thực nghiệm…………………………………………………………………7
4.3. Nghiên cứu thiết kế………………………………………………………………………7
5. Nội dung nghiên cứu……………………………………………………………………… 7
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LY HỢP…………………...10
1.1 Yêu cầu đối với hệ thống điều khiển tự động ly hợp……………………………………..10
1.2 Quá trình phát triển của hệ thống điều khiển ly hợp…………………………………….. 19
1.3 Các hệ thống điều khiển ly hợp………………………………………………………….. 20
1.3.1 Hệ thống điều khiển ly hợp bằng cơ khí……………………………………………….. 20
1.3.2 Hệ thống điều khiển tự động ly hợp…………………………………………………… 21
Chương 2. LÝ THUYẾT CHUNG VỀ CƠ CẤU VI SAI………………………………. 35
2.1 Khái niệm, phân loại và phạm vi ứng dụng cơ cấu vi sai………………………………... 35
2.1.1 Khái niệm về cơ cấu vi sai……………………………………………………………... 35
2.1.2 Phân loại và phạm vi ứng dụng cơ cấu vi sai…………………………………………...35
2.2 Cơ sở lý luận về cơ cấu vi sai……………………………………………………………. 36
2.2.1 Nguyên lý chung……………………………………………………………………….. 36
2.2.2 Một số sơ đồ cơ cấu vi sai……………………………………………………………… 41
Chương 3. LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LY HỢP…..…...... 50
3.1 Xác định hành trình dịch chuyển của đòn mở ly hợp …………………………………… 50
3.2 Xác định lực mở ly hợp………………………………………………………………….. 51
3.3 Xác định lực phanh cần thiết để điều khiển ly hợp ……………………………………... 53
Chương 4. GIỚI THIỆU VỀ LY HỢP Ô TÔ INNOVA J………………………………. 56
4.1 Giới thiệu chung về ô tô INNOVA J…………………………………………………….. 56
4.2 Ly hợp ô tô INNOVA J………………………………………………………………….. 59
4.2.1 Các thông số chính của ly hợp ô tô INNOVA J……………………………………….. 59
4.2.2 Đặc điểm kết cấu………………………………………………………………………..61
4.2.3 Nguyên lý làm việc…………………………………………………………………….. 63
4.2.4 Phân tích ưu nhược điểm của hệ thống điều khiển ly hợp……………………………... 64
Chương 5. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG LY HỢP
DÙNG CHO Ô TÔ INNOVA J……………………………………………………………… 66
5.1 Xác định các thông số cơ bản của hệ thống điều khiển tự động ly hợp…………………. 66
5.1.1 Thông số cơ bản của bộ vi sai…………………………………………………………..66
5.1.2 Thông số cơ bản của phanh điện từ……………………………………………………..78
5.2 Hệ thống điều khiển tự động ly hợp bằng cơ cấu vi sai kết hợp điện từ dùng cho ô tô
INNOVA J.…………………………………………………………………………………...84
5.2.1 Kết cấu…………………………………………………………………………………. 84
5.2.2 Nguyên lý làm việc…………………………………………………………………….. 86
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI………………………………..90
Kết luận……………………………………………………………………………………….90
Hạn chế của đề tài……………………………………………………………………………. 91
Hướng phát triển của đề tài…………………………………………………………………...91
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................... 94
DANH MỤC CÁC BẢNG
Số hiệu
bảng
3.1
5.1
Tên bảng
Trang
Bảng chọn hệ số dự trữ ly hợp
52
Chiều cao ren và khe hở đỉnh ren theo bước ren
69
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Số
hiệu
hình
vẽ
Tên hình vẽ
1.1
Sơ đồ hệ thống điều khiển tự động ly hợp
5
1.2
Mô hình Động cơ - Hệ thống truyền lực
10
Trang
1.10
Quan hệ giữa mômen xoắn của động cơ, mômen ly hợp, mômen cản
chuyển động và số vòng quay của trục khuỷu không phụ thuộc vào
giá trị độ trượt
Quan hệ giữa mômen truyền bởi ly hợp với số vòng quay n của trục
chủ động và giá trị độ trượt S
Quan hệ thay đổi mômen được truyền bởi ly hợp theo thời gian với
các góc mở bướm ga khác nhau (α1 > α2)
Quan hệ thay đổi mômen truyền bởi ly hợp theo góc mở bướm ga (α1
> α2 > α3)
Quan hệ thay đổi mômen ly hợp theo số vòng quay trục khuỷu (với
đặc tính ly tâm của ly hợp)
Quan hệ thay đổi mômen ly hợp theo số vòng quay trục khuỷu và góc
mở bướm ga
Quan hệ thay đổi mômen ly hợp theo số vòng quay trục khuỷu với các
đặc tính ly tâm dạng khác nhau
Sơ đồ ly hợp điều khiển bằng cơ khí
1.11
Hệ thống điều khiển tự động ly hợp ly tâm
23
1.12
Hệ thống điều khiển ly hợp điện chân không
26
1.13
Hệ thống điều khiển tự động ly hợp bằng thủy lực
30
1.14
Sơ đồ điều khiển tự động ly hợp bột điện từ
32
2.1
Sơ đồ điều khiển tự động ly hợp bột điện từ
37
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
12
13
15
16
16
17
19
21
2.2
Sơ đồ vi sai bánh răng trụ không đối xứng
38
2.3
Sơ đồ vi sai bánh răng côn đối xứng
39
2.4
Sơ đồ cơ cấu vi sai ăn khớp ngoài với một bánh răng trung tâm
42
2.5
Sơ đồ cơ cấu vi sai ăn khớp ngoài với hai bánh răng trung tâm
42
2.6
Sơ đồ cơ cấu vi sai bánh răng trụ ăn khớp trong và ngoài
43
2.7
Sơ đồ cơ bản của vi sai bánh răng côn
44
2.8
Kết cấu vi sai cam
46
2.9
Vi sai trục vít
48
2.10
Sơ đồ cơ cấu vi sai bánh răng côn để điều khiển ly hợp
49
3.1
Kích thước lò xo đĩa hình nón cụt
50
4.1
Các kích thước chính bên ngoài xe INNOVA J
4.2
Bộ ly hợp ô tô INNOVA J
62
4.3
Hệ thống điều khiển ly hợp ô tô INNOVA J
63
5.1
Kích thước mối ghép ren hình thang
70
5.2
Kích thước mối ghép then hoa
70
5.3
Kết cấu bạc mở ly hợp
71
5.4
Kết cấu moayơ
71
5.5
Sơ đồ cơ cấu vi sai bánh răng côn để điều khiển ly hợp
72
5.6
Các thông số cơ bản của cặp bánh răng côn ăn khớp
76
5.7
Kết cấu bánh răng trung tâm
76
5.8
Kết cấu cần dẫn
77
5.9
Kích thước ổ bi chặn
78
5.10
Sơ đồ kết cấu đĩa phanh và nam châm điện
83
5.11
Kết cấu ly hợp và hệ thống điều khiển tự động ly hợp ô tô INNOVA J
84
5.12
Sơ đồ điều khiển tự động ly hợp ô tô INNOVA J
86
5.13
Tổng thể kết cấu và sơ đồ điều khiển tự động ly hợp ô tô INNOVA J
89
5.14
Sơ đồ hệ thống điều khiển tự động hộp số
92
56,57
1
MỞ ĐẦU
1. Sự cần thiết của đề tài
Công nghiệp ô tô đã và đang là động lực tăng trưởng cho nhiều quốc gia.
Công nghiệp ô tô là một ngành có quy mô lớn mang lại thu nhập cao. Tổng giá
trị hàng hóa do ngành công nghiệp này tạo ra đã đạt tới những con số khổng lồ.
Ngành công nghiệp ô tô được xem là một ngành sản xuất vật chất, cung cấp
phương tiện đi lại và vận chuyển tối ưu nhằm đảm bảo mạch máu lưu thông,
thúc đẩy kinh tế phát triển. Theo thống kê, 82% khối lượng hàng hoá vận
chuyển bằng đường ô tô và 75% hành khách đi lại bằng phương tiện cơ động
này. Như vậy, ở điểm này, ngành công nghiệp ô tô đã gián tiếp đóng góp vai
trò không thể thiếu của mình vào sự nghiệp phát triển kinh tế quốc gia và thế
giới. Ngoài ra, do đặc trưng gắn liền với thành tựu khoa học kỹ thuật, ngành
công nghiệp ô tô có tác động thúc đẩy khoa học kỹ thuật phát triển đặc biệt là
các ngành tự động hóa, khoa học điện tử, công nghệ mới, hóa chất, cơ khí chế
tạo,…từ đó thúc đẩy nhiều ngành, lĩnh vực liên quan cùng phát triển đóng góp
vào sự phát triển chung của nhân loại.
Kể từ khi ra đời vào năm 1992 đến nay, ngành Công nghiệp ô tô của Việt
Nam được coi là ngành trọng điểm và là ngành luôn luôn được ưu đãi nhất
trong số các ngành công nghiệp. Hiện nay, ngành Công nghiệp ô tô tại Việt
Nam vẫn được xem là chiến lược quan trọng và là nền kinh tế mũi nhọn của
nước ta.
Việc điều khiển ô tô có tải trọng lớn, tốc độ cao tham gia giao thông trên
đường có lưu lượng xe nhiều đòi hỏi người lái phải tác dụng các lực cơ học lớn,
thao tác liên tục, sự tập trung cho việc điều khiển xe cũng tăng lên. Vấn đề này
dẫn đến làm tăng cường độ lao động, chóng mệt mỏi, giảm năng suất làm việc
đồng thời giảm tính an toàn chuyển động của ô tô.
2
Ngoài ra, cùng với sự tăng nhanh về số lượng ô tô trong cơ chế thị trường sẽ
làm tăng số lượng lái xe không chuyên nghiệp, trình độ tay nghề không cao, do
đó yêu cầu cần phải đơn giản trong việc điều khiển ô tô.
Chính vì những lý do đó, vấn đề đơn giản hóa và giảm nhẹ quá trình điều
khiển bộ truyền động ô tô trong các loại xe luôn được các nhà thiết kế và chế tạo
ô tô quan tâm đúng mức.
Hiện nay, hướng chủ yếu để giảm nhẹ và đơn giản hóa quá trình điều khiển
bộ truyền động ô tô thường là ứng dụng hộp số thủy cơ, chúng cho phép giải
phóng hoàn toàn hoặc một phần điều khiển trực tiếp của người lái, điều đó cải
thiện được một cách đáng kể điều kiện lao động và nâng cao khả năng an toàn
chuyển động của ô tô.
Tuy nhiên hộp số thủy cơ có cấu tạo phức tạp, giá thành cao. Ngoài ra, tính
kinh tế của ô tô giảm, hiệu suất thấp hơn so với hộp số cơ khí, công nghệ sản
xuất phải tiên tiến, yêu cầu chăm sóc, bảo dưỡng nghiêm ngặt, sửa chữa phức
tạp và đòi hỏi phải có tay nghề cao.
Ly hợp là một cụm quan trọng của hệ thống truyền lực, nằm giữa động cơ và
hộp số chính, có chức năng:
+ Tách động cơ ra khỏi hệ thống truyền lực một cách dứt khoát.
+ Nối động cơ với hệ thống truyền lực một cách êm dịu và phải truyền hết
được toàn bộ mô men xoắn từ động cơ sang hệ thống truyền lực.
+ Bảo vệ an toàn cho các cụm khác của hệ thống truyền lực và động cơ khi
bị quá tải.
+ Dập tắt các dao động cộng hưởng nâng cao chất lượng truyền lực của hệ
thống truyền lực.
Sự có mặt của ly hợp trên ô tô sẽ làm tăng thao tác của người lái trong
quá trình điều khiển ô tô, đó là thao tác để đóng và mở ly hợp.
Để điều khiển ly hợp các ô tô tải trọng lớn đòi hỏi người lái phải tác dụng
các lực lớn, do đó làm tăng cường độ lao động và sự mệt mỏi.
3
Với việc điều khiển ô tô trong điều kiện đường xấu, lúc tăng tốc, vượt dốc
hay khi chuyển động trong điều kiện đường phố đông người, đòi hỏi người lái
phải thường xuyên tác động lên bàn đạp ly hợp khi chuyển số hoặc khi phanh.
Điều đó cũng làm tăng cường độ lao động, làm giảm năng suất lao động và tính
an toàn chuyển động của ô tô.
Trong quá trình điều khiển ô tô, khi không có hệ thống điều khiển tự động ly
hợp, người lái điều khiển ly hợp theo kinh nghiệm và trình độ của mình, nên rất
khó khăn cho những người lái xe không chuyên nghiệp có trình độ tay nghề
không cao. Hơn nữa còn làm giảm tuổi thọ của ly hợp cùng các hệ thống liên
quan.
Tất cả những lý do trên dẫn đến yêu cầu cần giảm nhẹ và đơn giản hóa việc
điều khiển ly hợp trên ô tô để tăng năng suất làm việc, giảm cường độ lao động
và tăng tính an toàn chuyển động của ô tô.
Để giảm nhẹ và đơn giản việc điều khiển ly hợp trên ô tô, thường dùng một
trong hai phương pháp sau:
- Dùng trợ lực cho điều khiển ly hợp đối với các xe tải trọng lớn.
- Tự động hoá quá trình điều khiển ly hợp.
Để tự động hóa việc điều khiển ly hợp, giá trị lực ép của ly hợp cần được
thiết kế sao cho có thể thay đổi một cách tự động theo số vòng quay của động cơ
và chế độ làm việc của ô tô. Thực hiện yêu cầu trên, có thể sử dụng cơ cấu mở
ly hợp loại dẫn động cơ khí điều khiển điện từ mà cường độ dòng điện trong
cuộn dây cơ cấu điện từ sẽ thay đổi tương ứng với tốc độ động cơ và tải trọng
của ô tô. Khi dùng phương pháp tự động hóa điều khiển ly hợp, lúc này ly hợp
được điều khiển không cần sự tham gia của người lái mà chỉ phụ thuộc vào điều
kiện chuyển động của ô tô.
Tự động hóa quá trình điều khiển ly hợp là biện pháp hiệu quả nhất để đơn
giản và giảm nhẹ việc điều khiển ô tô.
4
Đơn giản và giảm nhẹ quá trình điều khiển bộ truyền động ô tô, đồng thời
tránh được những thiếu sót của hộp số thủy cơ, có thể sử dụng cơ cấu cơ khí kết
hợp điện từ để điều khiển ly hợp ma sát cũng như hộp số.
Đặc điểm chủ yếu của cơ cấu này là dùng công cơ học để điều khiển ly hợp
ma sát bằng cách sử dụng năng lượng quay của trục khuỷu động cơ.
Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm việc của hệ thống điều khiển tự động ly hợp
bằng cơ cấu vi sai kết hợp điện từ được thể hiện trên hình 1.1.
* Sơ đồ cấu tạo:
Ngoài các bộ phận chính như một ly hợp ma sát thông thường: Bánh đà, đĩa
ép chủ động, đĩa ma sát bị động, lò xo ép, đòn mở ly hợp,… Hệ thống điều
khiển ly hợp có moayơ 6 liên kết với vỏ ly hợp 1, moayơ được lắp lồng bên
ngoài bạc mở 7; mặt trong của moayơ có gia công ren, ren này ăn khớp với ren
ngoài của bạc mở. Bạc mở có dạng ống, được lắp lồng không trên trục ly hợp,
phần cuối của bạc mở có then hoa để lắp bánh răng trung tâm 8 của cơ cấu vi
sai. Bánh răng trung tâm 3 quay lồng không trên moayơ 6. Kết nối hai bánh răng
trung tâm 3 và 8 là các bánh răng hành tinh 9, các bánh răng hành tinh quay trên
trục 10 liên kết trên moayơ. Hai bánh răng trung tâm có bắt đĩa phanh 5 và 11,
hai cơ cấu phanh bằng điện từ 2 và 4 được lắp cố định dưới các te của ly hợp để
phanh các bánh răng trung tâm khi điều khiển ly hợp.
5
Hình 1.1. Sơ đồ hệ thống điều khiển tự động ly hợp.
1. Vỏ ly hợp.
2, 4. Phanh điện từ.
3, 8. Bánh răng trung tâm.
5, 11. Đĩa phanh.
6. Moayơ.
7. Bạc mở ly hợp.
9. Bánh răng hành tinh.
10. Trục bánh răng hành tinh.
* Nguyên lý làm việc:
- Khi động cơ hoạt động, chuyển động quay được truyền đến vỏ ly hợp và
moayơ 6. Lúc này bạc mở 7 cùng quay với moayơ, các chi tiết của cơ cấu vi sai
trở thành khối thống nhất và quay theo vỏ ly hợp.
- Khi ngắt ly hợp: Đóng mạch cơ cấu phanh điện từ 4, làm xuất hiện mômen
phanh trên đĩa 5, nên bánh răng 8 quay chậm lại, làm cho bạc mở quay với tốc
độ chậm hơn moayơ. Kết quả là bạc mở dịch chuyển về phía trái (Hình 1.1), tác
dụng lên đòn mở để mở ly hợp.
- Khi đóng ly hợp: Đóng mạch điện cơ cấu phanh điện từ 2, làm xuất hiện
mômen phanh trên đĩa 11, nên bánh răng 3 quay chậm lại. Lúc này các bánh
răng hành tinh sẽ quay chung quanh trục của nó theo chiều làm tăng tốc độ quay
của bánh răng trung tâm 8, làm cho bánh răng 8 và bạc mở 7 quay nhanh hơn
moayơ 6. Kết quả là bạc mở sẽ dịch chuyển sang phải, thôi tác dụng lên đòn mở
6
ly hợp. Nhờ lực của các lò xo, ép các đĩa chủ động và bị động của ly hợp làm
nối truyền động từ trục khuỷu động cơ đến trục ly hợp.
Như vậy, bộ truyền động ly hợp ma sát lắp thêm hệ thống điều khiển, có sự
trợ giúp của tín hiệu điện với công suất không lớn có thể thực hiện điều khiển ly
hợp một cách tự động, điều này cho phép giảm bớt quá trình điều khiển truyền
động ô tô.
Để kể tên ra một dòng xe gia đình đa dụng và nổi tiếng thì không thể không
nhắc tới Toyota Innova với bốn phiên bản V, E, G và J. Chỉ sau 2 năm xuất
hiện trên thị trường Việt Nam, Innova đã mang về con số kỷ lục với 33.000
chiếc bán ra tính đến tháng 8/2008. Sau 7 năm kể từ lần đầu tiên ra mắt trên thị
trường Việt Nam, Toyota Innova đã đạt doanh số ấn tượng với hơn 60 ngàn xe
được bán ra chiếm quá nửa thị phần dòng xe đa dụng.
Toyota Innova J là phiên bản thấp nhất trong các phiên bản, có giá tương
đối mềm, được dùng chủ yếu cho kinh doanh vận chuyển hành khách, taxi…
Bản J sử dụng động cơ tương tự như bản E và G, khác hơn là sử dụng hộp số sàn
5 cấp, ly hợp một đĩa ma sát thay vì hộp số tự động 4 cấp.
Toyota Innova J được sử dụng rất phổ biến tại thị trường Việt Nam.
Chính vì những lý do nêu trên, tác giả chọn đề tài “Thiết kế hệ thống điều
khiển tự động ly hợp trên xe INNOVA J”. Với bộ truyền cơ khí kiểu vi sai kết
hợp với phanh điện từ, có kết cấu đơn giản, ít tiêu tốn năng lượng, hiệu suất
truyền động cao, có độ bền và làm việc tin cậy, giá thành thấp,… đồng thời đáp ứng
được những yêu cầu làm việc của một ly hợp ô tô làm luận văn tốt nghiệp, nhằm
mục đích trực tiếp góp phần giảm nhẹ lao động cho người lái và gián tiếp là tăng an
toàn chuyển động, giảm thiểu các tai nạn giao thông đang rất bức thiết hiện nay.
2. Mục đích và ý nghĩa của đề tài
2.1. Mục đích của đề tài
Thiết kế hệ thống điều khiển tự động ly hợp nhằm làm đơn giản và giảm nhẹ
quá trình điều khiển ly hợp ma sát với kết cấu đơn giản, giá thành thấp, tiêu
tốn ít năng lượng và làm việc có độ tin cậy cao.
7
2.2. Ý nghĩa của đề tài
Đề tài nghiên cứu dùng bộ truyền vi sai kết hợp phanh điện từ để điều khiển
tự động ly hợp, nhằm làm đơn giản và giảm nhẹ quá trình điều khiển ly hợp
trên ô tô INNOVA J. Trên cơ sở đó có thể ứng dụng vào điều khiển tự động ly
hợp dùng cho các ô tô tương đương; đồng thời mở ra hướng nghiên cứu tự động
hoá quá trình điều khiển hộp số cũng như một số cơ cấu khác trên ô tô, máy kéo.
Ý nghĩa thực tiễn của đề tài là có thể làm đơn giản và giảm nhẹ quá trình
điều khiển ly hợp ma sát bằng hệ thống điều khiển tự động với kết cấu đơn
giản, giá thành thấp, tiêu tốn ít năng lượng và làm việc có độ tin cậy cao.
Vì vậy việc nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển tự động ly hợp trên tô
INNOVA J là việc làm đúng hướng, có tính kinh tế và tính khả thi.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống điều khiển tự động ly hợp.
- Phạm vi nghiên cứu: Tính toán, thiết kế hệ thống điều khiển tự động ly hợp
ma sát bằng cơ cấu vi sai kết hợp điện từ thay cho cơ cấu cơ khí điều khiển ly
hợp trên ô tô INNOVA J.
4. Phương pháp nghiên cứu
4.1. Nghiên cứu lý thuyết
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về hệ thống điều khiển tự động ly hợp.
- Nghiên cứu về động học và động lực học cơ cấu vi sai.
4.2. Nghiên cứu thực nghiệm
- Đo các thông số của bộ ly hợp ô tô INNOVA J.
4.3. Nghiên cứu thiết kế
- Tính toán, thiết kế hệ thống điều khiển tự động ly hợp.
5. Nội dung nghiên cứu
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LY HỢP
1.1. Yêu cầu đối với hệ thống điều khiển tự động ly hợp.
8
1.2. Quá trình phát triển của hệ thống điều khiển ly hợp.
1.3. Các hệ thống điều khiển ly hợp.
1.3.1. Hệ thống điều khiển ly hợp bằng cơ khí.
1.3.2. Hệ thống điều khiển tự động ly hợp.
1.3.2.1. Hệ thống điều khiển tự động ly hợp ly tâm.
1.3.2.2. Hệ thống điều khiển tự động điện chân không.
1.3.2.3. Hệ thống điều khiển tự động bằng thủy lực.
1.3.2.4. Hệ thống điều khiển tự động ly hợp điện từ.
Chương 2. LÝ THUYẾT CHUNG VỀ CƠ CẤU VI SAI
2.1. Khái niệm, phân loại và phạm vi ứng dụng cơ cấu vi sai.
2.2. Cơ sở lý luận về cơ cấu vi sai.
2.2.1. Nguyên lý chung.
2.2.2. Một số sơ đồ cơ cấu vi sai.
2.2.2.1. Vi sai bánh răng trụ.
2.2.2.2. Vi sai bánh răng côn.
2.2.2.3. Vi sai cam.
2.2.2.4. Vi sai trục vít
2.3. Sử dụng cơ cấu vi sai để dẫn động ly hợp.
Chương 3. LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LY
HỢP
3.1. Xác định hành trình dịch chuyển của đòn mở ly hợp.
3.2. Xác định lực mở ly hợp.
3.3. Xác định lực phanh cần thiết để điều khiển ly hợp.
Chương 4. GIỚI THIỆU VỀ LY HỢP Ô TÔ INNOVA J
4.1. Tổng quan về ô tô INNOVA J.
4.2. Ly hợp ô tô INNOVA J.
9
4.2.1. Các thông số chính của ly hợp ô tô INNOVA J.
4.2.2. Đặc điểm kết cấu.
4.2.3. Nguyên lý làm việc.
4.2.4. Phân tích ưu nhược điểm của cơ cấu điều khiển ly hợp.
Chương 5. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ
ĐỘNG LY HỢP DÙNG CHO Ô TÔ INNOVA J
5.1. Xác định các thông số cơ bản của hệ thống điều khiển tự động ly hợp.
5.1.1 Thông số cơ bản của bộ vi sai.
5.1.1.1. Bạc mở ly hợp.
5.1.1.2. Moayơ.
5.1.1.3. Tỷ số truyền của bộ vi sai.
5.1.1.4. Bánh răng trung tâm và bánh răng hành tinh.
5.1.1.5. Cần dẫn.
5.1.1.6. Chọn ổ bi tì.
5.1.2. Thông số cơ bản của phanh điện từ.
5.1.2.1. Tính chọn đĩa phanh.
5.1.2.2. Tính toán nam châm điện từ.
5.2. Hệ thống điều khiển tự động ly hợp bằng cơ cấu vi sai kết hợp điện từ
dùng cho ô tô INNOVA J.
5.2.1. Kết cấu.
5.2.2. Nguyên lý làm việc.
Kết luận và hướng phát triển của đề tài.
10
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LY HỢP
1.1 Yêu cầu đối với hệ thống điều khiển tự động ly hợp. [14]
Để xác định các yêu cầu đối với hệ thống điều khiển tự động ly hợp, tiến
hành phân tích sự làm việc của ly hợp theo mô hình trên Hình 1.2:
Jl
Je
ωl
ωe
Mψ
Me
Ml
Hình 1.2. Mô hình Động cơ - Hệ thống truyền lực.
Trong đó:
Me
Mômen xoắn của động cơ.
Ml
Mômen truyền qua ly hợp.
Mψ
Mômen cản chuyển động của đường.
ωe, ωl Vận tốc góc của phần tử chủ động và bị động.
Mômen quán tính của các chi tiết liên quan quy dẫn về trục chủ
Je
động của ly hợp.
Jl
Mômen quán tính của các chi tiết liên quan và của khối lượng chuyển
động tịnh tiến của ô tô quy dẫn về trục bị động của ly hợp.
Chế độ làm việc của ly hợp phụ thuộc vào quan hệ của các mômen Me, Ml,
Mψ , Je và Jl.
+ Để đảm bảo khởi hành và tăng tốc được êm dịu, tức là gia tốc góc
nhỏ, cần đảm bảo điều kiện:
dl M l M
dt
Jl
d l
dt
có giá trị nhỏ.
Khi khởi hành ô tô, ωl = 0 còn ωe > 0, tức là khi ô tô khởi hành có xảy ra sự
trượt ly hợp và giá trị Ml > Mψ một chút.
11
+ Để tránh hiện tượng quá nóng và mài mòn ly hợp, sau khi ô tô tăng tốc, ly
hợp cần phải làm việc không có sự trượt, tức là cần đảm bảo cho ωl = ωe. Để
thực hiện điều này, trong quá trình tăng tốc ô tô cần làm sao để giá trị
dl d e
, bởi vì chỉ trong trường hợp này, khi chế độ chuyển động ổn định
dt
dt
mới có thể đảm bảo đẳng thức ωl = ωe.
Các yêu cầu trên có thể thực hiện được, nếu trong quá trình tăng tốc ô tô giá
trị Ml được tăng lên từ từ để đảm bảo cho Ml - Mψ tăng và Me- Ml giảm.
+ Để đảm bảo ly hợp làm việc không trượt thì cần thiết duy trì điều kiện Ml > Me.
+ Chế độ chuyển động ổn định của ô tô đặc trưng bởi tốc độ ô tô và số vòng
quay động cơ không đổi chỉ có thể đạt được khi Me = Mψ.
Tùy theo quan hệ giữa các mômen và chế độ tải, ly hợp có thể làm việc lâu
dài với sự trượt.
Ở ly hợp có đặc tính ly tâm, giả thiết rằng khi số vòng quay của động cơ
không đổi, giá trị Ml không phụ thuộc vào trạng thái trượt của ly hợp.
Trên hình 1.3 biểu diễn các đường cong mômen xoắn của động cơ Me (với
độ mở bướm ga xác định), mômen được truyền bởi ly hợp Ml phụ thuộc vào số
vòng quay của động cơ và các đường thẳng tương ứng với các giá trị mômen cản
Mψ khác nhau.
- Khi Mψ = Mψ1, chế độ chuyển động ổn định của ô tô tương ứng với số vòng
quay n1 mà ở đó đường Me sẽ cắt đường thẳng (1) tại điểm a. Giá trị Ml khi này
sẽ lớn hơn Me1, do đó không xảy ra sự trượt ly hợp.
- Khi tăng giá trị Mψ, tốc độ của động cơ tương ứng với chế độ chuyển động
ổn định của ô tô và giá trị Ml giảm đi. Giá trị cực đại của Mψ (đường thẳng 2)
mà ở đó ly hợp có thể làm việc mà không trượt, không vượt quá giá trị M e2 =
Ml2 tương ứng với trường hợp Me2 = Ml2 = Mψ2 (điểm b).
12
M (Kg.m)
6
5
3
Me
Ml
2
b
4
Mψ1
Mψ3
Mψ2
3
0
1
a
2
1
800 1200 1600 2000
n2
2400 Vg/ph
n1
Hình 1.3. Quan hệ giữa mômen xoắn của động cơ, mômen ly hợp, mômen cản chuyển
động và số vòng quay của trục khuỷu không phụ thuộc vào giá trị độ trượt.
- Sự tăng theo của mômen cản đến giá trị Mψ3 vẫn không làm giảm số vòng
quay của trục khuỷu, bởi vì nếu ne giảm thấp hơn giá trị ne2 thì mômen Me sẽ
lớn hơn Ml, điều đó sẽ làm tăng tốc độ trục khuỷu đến giá trị n 2. Mặt khác, khi
Mψ > Ml2 thì ô tô sẽ chuyển động chậm dần và số vòng quay của trục bị động sẽ
giảm đi.
Như vậy, khi Mψ > Mψ2, tốc độ chuyển động của ô tô sẽ giảm nhưng số vòng
quay của động cơ không đổi, điều đó chỉ có thể xảy ra nhờ sự trượt của ly hợp.
Khi ly hợp trượt, tốc độ ô tô giảm đi, vì thế giá trị Mψ sẽ giảm một ít do lực cản
của ô tô giảm đi khi giảm tốc độ của nó.
- Nếu Mψ giảm đến giá trị Mψ2 do sự giảm tốc độ chuyển động, thì chế độ
chuyển động ổn định của ô tô sẽ được xác lập lại khi Me2 = Ml2 = Mψ2, nhưng
trong trường hợp này ly hợp sẽ làm việc với sự trượt. Chế độ làm việc như vậy
có khả năng xảy ra nhiều nhất khi các giá trị Mψ3 và Mψ2 khác nhau không
nhiều. Bởi vì nếu Mψ3 lớn hơn Mψ2 nhiều thì có thể làm dừng ô tô. Để tránh điều
đó, người lái sẽ tăng độ mở bướm ga để chuyển sang đặc tính động cơ mới với
mômen xoắn lớn hơn.
13
Ở các ly hợp ma sát với đặc tính ly tâm, giá trị mômen M l thường không chỉ
phụ thuộc vào số vòng quay của trục chủ động mà còn phụ thuộc vào giá trị độ
trượt. Khi ly hợp làm việc với trượt, các tấm ma sát sẽ bị đốt nóng làm giảm hệ
số ma sát và mômen được truyền. Vì thế, sau khi ly hợp bắt đầu trượt, ngay cả
khi số vòng quay trục chủ động không đổi, giá trị mômen Ml sẽ giảm một ít, làm
cho ô tô chuyển động chậm lại nhanh hơn.
Như vậy, khi ly hợp làm việc với trượt, giá trị Ml và Mψ đồng thời giảm đi.
Nếu với tốc độ V > 0, Ml = Mψ được đảm bảo thì ô tô sẽ chuyển động ổn định
với sự trượt của ly hợp.
Nếu sự giảm Ml xảy ra nhanh hơn sự giảm Mψ thì để khỏi bị bị dừng ô tô,
người lái cần phải tăng ga để tăng số vòng quay trục chủ động và tương ứng là
giá trị Ml sẽ tăng lớn hơn Mψ.
+ Khả năng ly hợp làm việc với trượt trong thời gian kéo dài sẽ tăng lên rất
lớn nếu giá trị Ml sẽ tăng theo sự tăng của độ trượt (hình 1.4)
M(Kg.m)
2
1
0
b
a
Ml3
Ml2
Ml1
Mψ3
3
c
Mψ2
4
Me
Mψ0
Mψ1
6
5
400 800 1200 1600 2000 n vg/ph
Hình 1.4. Quan hệ giữa mômen truyền bởi ly hợp với số vòng quay n của trục chủ
động và giá trị độ trượt S.
Ml1 với S = 0%; Ml2 với 0% < S < 100%; Ml3 với S = 100%.
Khi giá trị Mψ < Mψ1 thì ly hợp sẽ làm việc không trượt bởi vì chế độ chuyển
động ổn định của ô tô tương ứng với số vòng quay n = n2 mà ở đó Ml1 > Mψ0.
14
Sự trượt ly hợp sẽ không xảy ra ngay cả khi Mψ = Mψ1, vì trong trường hợp
này đường thẳng Mψ cắt đường cong Me ở điểm a mà đường cong Ml1 cũng đi
qua đó (khi độ trượt S = 0).
Nếu Mψ tăng lên đến Mψ2 thì ô tô chỉ có thể chuyển động ổn định khi đường
cong Ml2 phải đi qua điểm b ứng với độ trượt S = S2. Các giá trị khác của Mψ
nằm trong giới hạn từ Mψ2 đến Mψ3 cũng cho phép ô tô chuyển động ổn định với
sự trượt của ly hợp và phụ thuộc vào giá trị của Mψ, độ trượt sẽ thay đổi từ 0 đến
100%. Khi Mψ = Mψ3 thì ly hợp sẽ làm việc ổn định với độ trượt 100% vì lúc
này đường Me cắt đường Ml3 ở điểm c ứng với Me3 = Ml3 = Mψ3. Vậy, ly hợp với
đặc tính ly tâm và có quan hệ Ml = f(n,s) có thể làm việc ổn định với độ trượt yêu
cầu. Điều có rất cần thiết để ô tô có thể cơ động tốt với tốc độ nhỏ. Tuy nhiên,
đặc tính Ml = f(n,s) làm tăng khả năng xảy ra trượt ly hợp lâu dài, dẫn đến quá
nóng và mài mòn nhanh các bề mặt làm việc của ly hợp.
+ Khi gài số truyền thấp, cần phải làm thế nào để mômen Ml được truyền bởi
ly hợp trong một vùng số vòng quay xác định của trục khuỷu nhỏ hơn mômen
xoắn của động cơ Me, giao điểm của các đường Me và Ml tương ứng với số vòng
quay n0 của trục khuỷu mà ở đó động cơ tạo ra mômen xoắn gần với mômen
xoắn lớn nhất. Yêu cầu này nhằm đảm bảo khả năng khởi hành ô tô trên đường
dốc. Ở số vòng quay của trục khuỷu n > n 0, mômen Ml cần lớn hơn Me để tránh
cho ly hợp khỏi bị trượt.
+ Khi gài số truyền cao, để tránh khả năng ly hợp bị trượt lâu dài, giao điểm
của các đường cong Ml = f(n) và Me = f(n) cần phải dịch về phía số vòng quay nhỏ
của động cơ.
+ Để đảm bảo khả năng cơ động của ô tô ở tốc độ nhỏ, ly hợp cần có khả
năng làm việc với trượt khi bướm ga cố định ở góc mở nhỏ.
+ Sau khi chuyển số, đặc biệt là từ số cao xuống số thấp, để tránh gây giật ô
tô khi đóng ly hợp, hệ thống tự động cần làm đồng đều sơ bộ tốc độ các phần tử
chủ động và bị động của ly hợp, hoặc đảm bảo một cường độ đóng ly hợp cần
15
thiết. Để nhận được các chỉ tiêu động lực cao, cường độ đóng ly hợp cần được
tăng theo góc mở bướm ga.
+ Trong quá trình chuyển số, thời gian mở ly hợp cần thực hiện trong khoảng
từ 0,15 ÷ 0,25 giây.
Để thực hiện được các yêu cầu trên, trong các hệ thống điều khiển tự động ly
hợp, việc điều chỉnh mômen được truyền bởi ly hợp được thực hiện bằng các
phương pháp sau:
- Sau khi truyền lệnh để đóng ly hợp, giá trị mômen Ml tăng từ từ trong thời
gian t từ 0 đến giá trị lớn nhất. Giá trị mômen Ml tăng lên khi tăng độ mở bướm
ga (xem Hình 1.5).
M(kGm)
10
α1
8
α2
6
4
2
0
4
8
12
16
20
24 S
Hình 1.5. Quan hệ thay đổi mômen được truyền bởi ly hợp theo thời gian với các
góc mở bướm ga khác nhau (α1 > α2).
- Giá trị mômen Ml không phụ thuộc vào số vòng quay động cơ nhưng
tăng theo góc mở bướm ga (xem Hình 1.6).
16
M kG.m
12
α1
11
α1
Me
10
Ml
α2
α2
α3
9
α3
8
7
400
800 1200 1600 2000 n(vg/ph)
0
Hình 1.6. Quan hệ thay đổi mômen truyền bởi ly hợp theo góc mở bướm ga (α1 >
α2 > α3).
- Giá trị mômen Ml tăng theo số vòng quay động cơ (xem Hình 1.7).
M kGm
12
Ml
10
Me1
Me2
8
Me4
Me3
6
Me5
4
2
0
1000 1400 1800 2200 2600
n(vg/ph)
n
Hình 1.7. Quan hệ thay đổi mômen ly hợp theo số vòng quay trục khuỷu
(với đặc tính ly tâm của ly hợp).
