Đồ án tốt nghiệp nghiên cứu hiện tượng tuần hoàn công suất trên xe ô tô quân sự

1
ðẶT VẤN ðỀ
ðất nước ñang trong thời kỳ phát triển, u cầu về cơng nghiệp hố và hiện
đại hố ðất nước ngày càng ñược chú trọng. Việc phát triển kinh tế ñưa ðất nước
tiến lên theo con ñường của hội nhập và phát triển cùng với phát triển quốc phịng
để bảo ñảm giữ vững ñược ñộc lập, chủ quyền và duy trì sự ổn định xã hội được
ðảng, Nhà nước và quân ñội ta ngày càng chú trọng. Thực hiện nhiệm vụ của quân
ñội trong thời kỳ ñổi mới, ngành kỹ thuật xe máy quân ñội ñã và ñang ñi từng bước
nâng cao chất lượng nghiên cứu khoa học kỹ thuật, ñồng thời khai thác sử dụng tốt
những trang thiết bị hiện có trong qn đội.
Sự đa dạng hố và mức ñộ phức tạp ngày càng cao của hệ thống truyền lực
trên xe đặt ra cho các nhà chun mơn kỹ thuật những u cầu ngày càng khắt khe,
địi hỏi phải có những phương pháp nghiên cứu hợp lý, những cơng cụ phù hợp để
giải những bài tốn phức tạp mang tính q trình, ví dụ như bài tốn tuần hồn cơng
suất trong hệ thống truyền lực.
Tuần hồn cơng suất là một trong những hiện tượng tương ñối ñặc trưng xảy
ra trong q trình hoạt động của xe có nhiều cầu chủ động. Tuần hồn cơng suất có
thể xảy ra trong một q trình liên tục hoặc gián đoạn, với những mức ñộ khác
nhau. Tuỳ thuộc vào nhiều yếu tố kết cấu và sử dụng, có tác dụng hai mặt tới hoạt
ñộng của hệ thống truyền lực. Việc nghiên cứu tuần hồn cơng suất trong cả q
trình hoạt động của hệ thống truyền lực là một cơ sở trong thiết kế các chi tiết tham
gia truyền công suất, xây dựng các quy chế sử dụng, và ở mức ñộ cao hơn nữa là
xác ñịnh quy luật ñiều khiển ñể giảm thiểu tác hại và phát huy triệt để mặt tích cực
của tuần hồn cơng suất.
Xuất phát từ những u cầu trên, với sự hướng dẫn của PGS.TS Vũ ðức
Lập, sự giúp đỡ của các thầy giáo trong Bộ mơn Xe qn sự, tơi đã chọn đề tài
nghiên cứu với nội dung “Nghiên cứu hiện tượng tuần hồn cơng suất trên xe ô
tô quân sự”.


2

Nội dung chính của đề tài bao gồm:
- ðặt vấn ñề
- Chương 1: Tổng quan về vấn ñề nghiên cứu, tính cấp thiết của đề tài
- Chương 2: Xây dựng mơ hình hệ thống truyền lực
- Chương 3: Nghiên cứu hiện tượng tuần hồn cơng suất trên xe ơ tơ
qn sự
- Kết luận


3
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ VẤN ðỀ NGHIÊN CỨU TÍNH CẤP THIẾT CỦA ðỀ TÀI
1.1. Tổng quan về lý thuyết dòng lực và hiện tượng tuần hồn cơng suất
1.1.1. Lý thuyết dòng lực và phương pháp dòng lực
Theo tài liệu [10], lý thuyết dòng lực dựa trên ba khái niệm cơ bản: Nhân tố
lực, nhân tố vận tốc và nhân tố cơng suất của dịng năng lượng truyền đi trong một
đơn vị thời gian. Khi đó một dịng mang năng lượng từ vị trí này đến một vị trí khác
được gọi là dịng có hướng, nếu năng lượng chỉ khuếch tán trong khơng gian thì
được gọi là dịng khuếch tán. ðối với hệ thống truyền lực cơ khí, nhân tố lực của
dịng có hướng là mơ men xoắn M đặt trên trục truyền, nhân tố vận tốc là vận tốc
góc ω của trục quay. Khi đó nhân tố cơng suất N của dịng truyền qua trục sẽ được
tính theo cơng thức 1.1.

N = M .ω

(1.1)

Lý thuyết dòng lực cũng chỉ ra rằng, cho dù kết cấu biến đổi có trong hệ
thống truyền lực ơ tơ có đa dạng đến mức độ nào ñi nữa, tất cả chúng ñều bao gồm
các phần tử của hai dạng sau ñây:

-

Kết cấu biến ñổi nhân tố lực khi khơng thay đổi nhân tố vận tốc.

-

Kết cấu biến đổi nhân tố vận tốc khi khơng thay ñổi nhân tố lực.

Các kết cấu này ñược liên kết với nhau thông qua các trục truyền dẫn năng
lượng, tổng hợp lại chúng tạo ta các nút này hoặc nút khác của hệ thống truyền lực
hay bộ truyền.
Chúng ta có thể phát biểu hai nguyên lý của lý thuyết dòng lực như sau:
-

Tổng giá trị các nhân tố công suất của các dịng tuyệt đối và dịng tương
đối của một ñiểm nút bằng không (công thức 1.2)

-

Tổng giá trị các nhân tố lực của các dịng đồng nhất của điểm nút bằng
không (công thức 1.3)


4
n

∑ q .u
k =1

k =1

+ ∑ Np = 0

k

k

k

=0

C

∑q

n

'

(1.2)

p =1

(1.3)

Trong đó:
qk: Véc tơ nhân tố lực của dịng thứ k.
uk: Véc tơ nhân tố vận tốc của dòng thứ k.
Np’: Nhân tố cơng suất của dịng tương đối thứ p.
Với:

u1, 2 = u1 − u 2

(1.4)

N ' = q.u1, 2

(1.5)

Trong ñó:
u1, u2: Nhân tố vận tốc tuyệt ñối của hai dịng vơ hướng 1 và 2.
u1,2: Nhân tố vận tốc tương đối của dịng 1 so với dịng 2.

Hình 1.1. Ký hiệu các nhân tố của dòng lực
Phương pháp dòng lực ra ñời từ những năm 50 của thế kỷ XX, nhưng vì các
hệ thống truyền lực lúc đó cịn ở dạng đơn giản, nên phương pháp này ít được chú ý
và sử dụng trong ngành kỹ thuật xe máy. Với sự phát triển không ngừng của khoa
học công nghệ, xuất hiện nhiều loại xe có hệ thống truyền lực phức tạp và có chất
lượng vượt trội như hệ thống truyền lực thuỷ cơ, hệ thống truyền lực thay ñổi liên
tục (CVT), hệ thống truyền lực nhiều dịng cơng suất v.v., thì việc tính tốn các hệ
thống truyền lực đó bằng phương pháp lực trở lên khó khăn. Phương pháp dịng lực
bắt đầu được sử dụng ngày một rộng rãi và ñược khẳng ñịnh là một phương pháp


5
tiên tiến, đáp ứng được các u cầu tính tốn khắt khe của các hệ thống truyền lực
phức tạp.
Phương pháp dịng lực là phương pháp tính tốn dựa trên cơ sở sơ đồ hố hệ
thống truyền lực bằng các nút và các dịng truyền, trong đó điểm nút là điểm thay
đổi trạng thái và dạng chuyển động, các dịng truyền cơng suất trong hệ toạ độ

khơng gian và thời gian ñược gọi là dòng lực.
Sự thay ñổi trạng thái dòng lực được hình thành tại các nút nhánh. Nút nhánh
được ñặc trưng bởi nhân tố lực. Sự thay ñổi dạng dịng lực được hình thành tại các
nút động lực. Nút ñộng lực ñược ñặc trưng bởi nhân tố vận tốc. Tuy nhiên, khi thiết
lập sơ đồ dịng lực, khơng phải lúc nào cũng cần thiết phải biểu diễn các ñiểm nút là
nút nhánh hay nút ñộng lực. Trong nhiều trường hợp có thể và cần phải thiết lập sơ
đồ dịng lực với những ñiểm nút tổng quát. Tại nút tổng quát ñồng thời diễn ra sự
thay ñổi trạng thái và dạng của dịng lực. ðặc tính của các điểm nút tổng quát ñược
thể hiện bằng các ñẳng thức phản ánh tính chất của chúng.

N

a, u=const
q=var

b, q=const
u=var

N

c, q=var
u=var

Hình 1.2. Ký hiệu chung của các ñiểm nút
a. Nút nhánh; b. Nút ñộng lực; c. Nút tổng quát.
Nếu như nút nhánh chỉ tồn tại ở hai dạng là nút phân công suất và nút hợp
cơng suất, thì nút động lực đa dạng hơn rất nhiều và được sử dụng thường xun
trong mơ hình hệ thống truyền lực. Các dạng ñặc trưng của nút động lực trong mơ
hình hệ thống truyền lực là nút trượt, nút phanh, nút không tải, nút xuyên suốt, nút
biến ñổi dạng chuyển ñộng...

6

N

N

u

u

q

qa
a

u1

u2
q

b

c

d

Hình 1.3. Một số dạng nút động lực
a. Nút biến ñổi dạng chuyển ñộng; b. Nút trượt;

c. Nút không tải; d. Nút xuyên suốt
Các yếu tố lực và vận tốc của mọi dịng lực đều tn theo hai ngun tắc cơ
bản sau là nguyên tắc cân bằng ñộng lực và ngun tắc bảo tồn vận tốc tương đối
của dịng lực kín. Tuy nhiên, cần phải lưu ý rằng dịng lực cuối cùng khơng phải
được đặc trưng bởi yếu tố lực hay vận tốc, mà bằng công suất. Hai nguyên tắc cơ
bản và đặc tính của các điểm nút cho phép ta thiết lập một hệ phương trình kín biểu
diễn chuyển động của dịng lực. Giải hệ phương trình này ta tìm được các giá trị yếu
tố lực và vận tốc theo giá trị các yếu tố ban đầu, và đó chính là bản chất của phương
pháp dịng lực.
Vì dịng lực là mơ hình hố sự truyền lực giữa các vật thể tương tác, nên
phương pháp dòng lực là phương pháp chung để tính tốn dịng lực đối với mọi
truyền động, bất kể đó là truyền động cơ khí, điện hay thuỷ lực. Biểu diễn hình học
các điểm nút và dịng truyền ta sẽ được sơ đồ dịng lực. Dịng truyền bao giờ cũng
có hướng từ khâu chủ động (nơi có cơng suất cao) đến khâu bị động (nơi có cơng
suất thấp hơn) với tổn hao nào đó (được tính thơng qua hiệu suất η). Phương pháp
dòng lực là một trong những phương pháp rất thuận lợi trong việc biểu diễn, phân
tích và tính tốn các hệ thống truyền lực phức tạp, nhiều dịng cơng suất, đặc biệt là
trong hệ thống truyền lực có dịng lực kín, tuần hồn cơng suất. Phương pháp này
cho phép lập trình để tính tốn hệ thống truyền lực một cách linh hoạt, dễ dàng thay
ñổi tuỳ theo kết cấu của hệ thống và thông số ñiều khiển, làm cơ sở cho việc giải
các bài toán tối ưu về thiết kế và ñiều khiển.


7
Từ các phân tích trên, ta thấy phương pháp dịng lực có nhiều ưu điểm trong
việc tính tốn hệ thống truyền lực, ñặc biệt là nghiên cứu hiện tượng tuần hồn cơng
suất trong hệ thống truyền lực của ơ tơ có hai hay nhiều cầu chủ động. Ngày nay, sự
phát triển của công nghệ thông tin với sự xuất hiện của nhiều cơng cụ tính tốn hiện
đại đã mang lại nhiều thuận lợi cho việc nghiên cứu một cách tương ñối ñầy ñủ các
quá trình hoạt ñộng của những hệ thống truyền lực phức tạp sát với ñiều kiện hoạt

ñộng thực tế.
Một trong những cơng cụ như vậy đã được sử dụng rộng rãi chính là mơ đun
SimDriverLine của phần mềm Matlab.
1.1.2. Hiện tượng tuần hồn cơng suất
Theo [10], việc tồn tại dịng lực kín trong hệ thống truyền lực là điều kiện
cần để xảy ra hiện tượng tuần hồn cơng suất. ðiều đó tức là trong hệ thống truyền
lực phải có ít nhất một nút phân cơng suất và một nút hợp cơng suất. Trong trường
hợp chiều của dịng cơng suất chính khơng thay đổi, khi nút phân cơng suất biến đổi
thành nút hợp cơng suất và ngược lại thì đó là dấu hiệu của hiện tượng tuần hồn
cơng suất. Như vậy, có thể hiểu hiện tượng tuần hồn cơng suất là hiện tượng một
phần cơng suất khơng được tiêu thụ hết mà quay trở về nhập vào dòng cơng suất
chính được truyền xuống từ nguồn sinh cơng suất.

Hình 1.4. Sơ đồ dịng lực khi chưa có tuần hồn công suất


8
Trên hình 1.4 thể hiện sơ đồ dịng lực với dịng lực kín nhưng chưa xảy ra
hiện tượng tuần hồn cơng suất. Quan sát hình 1.4, nhận thấy rằng trong hệ thống
truyền lực có nút phân cơng suất D2, và nút hợp cơng suất C. Dịng cơng suất chính
với hai yếu tố ñặc trưng là M và ω qua nút phân công suất D2 chia sang cho hai cầu
xe chủ động được mơ men M1 và M2, sau đó qua hai nút tổng quát k'1 và k'2 rồi
hợp lại tại nút hợp công suất C. Tổng cộng hai giá trị lực phát sinh tại nút biến ñổi
dạng chuyển ñộng (bánh xe) là P1 và P2 hợp tại nút hợp công suất C truyền lên
khung xe làm cho xe chuyển ñộng với vận tốc V và thẳng lực cản tổng cộng R.

Hình 1.5. Tuần hồn cơng suất trong dịng lực kín
Trên hình 1.5 thể hiện sơ đồ dịng lực có dịng lực kín và có hiện tượng tuần
hồn cơng suất. Nhận thấy rằng, nút k'2 là bánh xe chủ ñộng nhận cơng suất từ động
cơ rồi truyền ra khung xe qua tương tác mặt tựa với nền ñường, nút k'1 là bánh xe bị

động nhận cơng suất từ khung truyền sang. Do k'1 và k'2 có liên hệ động học với
nhau qua hệ thống truyền lực nên công suất truyền từ k'1 sang k'2 thành một vịng
lực kín, như vậy nút phân công suất D2 trở thành nút hợp công suất (một phần cơng
suất được quay trở lại hợp với dịng cơng suất chính truyền từ nguồn sinh cơng suất)
và nút hợp công suất C trở thành nút phân công suất. ðây chính là hiện tượng tuần
hồn cơng suất.


9
Phương trình cân bằng lực tại nút phân nhánh C:

P1 + P2 = R

(1.6)

Phương trình vận tốc:

V = ω1 .rk1 = ω2 .rk 2

(1.7)

Biểu diễn bán kính lăn của từng bánh xe thơng qua bán kính tĩnh học và hệ
số ñàn hồi dọc ta có:

rki = rci − λi .Pi

(1.8)

Thay công thức 1.7 và công thức 1.8 vào trở lại phương trình cân bằng lực
1.1, ta có:

V = (rc1 − λ1 .P1 ).ω1 = (rc 2 − λ2 .P2 ).ω 2

(1.9)

Tại nút C là nút phân nhánh nên ta có:

ω1 = ω2 = ω

(1.10)

Giải hệ các phương trình trên chúng ta nhận ñược giá trị của hai lực P1 và P2
như sau:

P1 =

λ1 .R + (rc1 − rc 2 ) λ1 .R + ∆rc
=
λ1 + λ2
λ1 + λ2

(1.11)

P2 =

λ1.R − (rc1 − rc 2 ) λ1.R − ∆rc
=
λ1 + λ2
λ1 + λ2

(1.12)

Giả thiết ∆rc > 0, dịng lực kín sẽ khơng tuần hồn nếu như P1 và P2 cùng
dấu. Từ công thức 1.11 và công thức 1.12, nhận thấy với giả thiết ∆rc > 0 thì P1 > 0,
cịn P2 nhận giá trị bất kỳ phụ thuộc vào tương quan giữa λ1.R và ∆rc, để xảy ra hiện
tượng tuần hồn cơng suất thì P2 < 0, do đó ta có:

∆rc
>1
λ1 .R

(1.13)

Như vậy trong hệ thống truyền lực ô tô luôn tồn tại dịng lực kín giữa các
bánh xe hoặc các cầu xe, nếu khơng có vi sai giữa các bánh xe hay vi sai giữa các


10
cầu xe thì hiện tượng tuần hồn cơng suất ln xảy ra tuỳ thuộc vào mối quan hệ
theo công thức 1.13.
Lực cản R phụ thuộc vào loại ñường, R càng nhỏ thì xác suất xuất hiện hiện
tượng tuần hồn cơng suất càng lớn. Khi mà R = 0, ta có P1=-P2, tức là ln có hiện
tượng tuần hồn cơng suất trong hệ thống truyền lực.
Mặt khác, nếu có chêch lệch trọng lượng hoặc áp suất hơi lốp của các bánh
xe q lớn cũng xảy ra hiện tượng tuần hồn cơng suất.
1.1.3. Ảnh hưởng của hiện tượng tuần hồn cơng suất
Trên xe ô tô, trong hệ thống truyền lực, hiện tượng tuần hồn cơng suất xuất
hiện có hai mặt tác dụng lợi và hại.
Phân tích nhân tố lực, nếu ta coi như tổng các lực cản ΣR=const, từ đó
phương trình cân bằng lực như sau:

P1 + P2 + ... + Pi = ∑ R = const

(1.14)

Như vậy nếu có hiện tượng tuần hồn cơng suất xảy ra, tức là có tồn tại một
giá trị Pj < 0, khi đó các giá trị lực khác Pi phải tăng lên ñể ñảm bảo ñược ñúng theo
ñiều kiện 1.14, như vậy tải trọng tác dụng lên các cầu xe sẽ tăng lên gây quá tải cho
các cầu.
Mặt khác, tại ñiểm nút biến ñổi chuyển ñộng quay thành chuyển ñộng tịnh
tiến theo tài liệu [2], ta có:

Vlt = ω.r

(1.15)

Vtt = ω.rk

(1.16)

rk = rci − λ.P
Trong ñó;
Vlt: Vận tốc chuyển ñộng lý thuyết của xe
Vtt: Vận tốc chuyển động thực tế của xe
ω: Vận tốc góc của bánh xe

(1.17)


11

rci: Bánh kính lăn tự do của bánh xe
rk: Bán kính lăn thực tế của bánh xe
P: Nhân tố lực tịnh tiến của bánh xe
λ: Hệ số ñàn hồi dọc của bánh xe
Với bánh xe chủ động ta có P > 0, nên khi P tăng thì rk giảm, dẫn ñến Vttbánh xe bị trượt lết gây ra hiện tượng mòn lốp.
Từ những tác hại trên của hiện tượng tuần hồn cơng suất, để loại bỏ hiện
tượng này, trong hệ thống truyền lực của ô tô, người ta thường sử dụng bộ vi sai
giữa các bánh xe và vi sai giữa các cầu xe (với các xe có nhiều cầu chủ động). Do
tính chất đặc biệt của vi sai chỉ có hai phương án dịng lực đó là nút phân cơng suất
hoặc hợp cơng suất, chứ khơng có cơng suất truyền từ trục 1 sang trục 2.

Hình 1.6. Sơ đồ thể hiện tính chất động lực học của vi sai
Tính chất này ñược sử dụng ñể khử hiện tượng tuần hồn cơng suất. Tuy vậy
nhược điểm chính của vi sai là mơ men chủ động ln được phân phối đến các bánh
xe chủ ñộng (hoặc các cầu chủ ñộng) và phụ thuộc vào ñiều kiện bám của bánh xe
với mặt ñường. Lực kéo lớn nhất có thể sinh ra tại một cầu xe là:

Pk max = Pϕ min + M ms / rk
Trong đó:
Pkmax: Lực kéo lớn nhất có thể tại một cầu
Pϕmin: Lực bám nhỏ nhất tại một cầu
Mms: Mô men ma sát trong của vi sai

(1.18)


12
Tuỳ thuộc vào ñiều kiện ñường mà Pϕmin rất nhỏ thậm chí bằng 0 (Khi một
bánh hoặc một cầu bị sa lầy), lúc đó Pkmax cũng xấp xỉ bằng 0. ðể khắc phục điều

này, sử dụng bộ vi sai có ma sát trong cao hoặc cơ cấu khoá vi sai khi cần thiết, tức
là sử dụng mặt tích cực của hiện tượng tuần hồn cơng suất.
Những ảnh hưởng xấu của hiện tượng tuần hồn cơng suất đã được nêu ở
trên là rất lớn, tuy nhiên trong một số trường hợp, hiện tượng tuần hồn cơng suất
cịn có những tác dụng tích cực.
Ví dụ như với xe có nhiều cầu chủ động khơng có vi sai giữa các cầu, khi
một bánh xe trên một cầu hoặc cả cầu xe đó nằm trên địa hình có hệ số bám rất thấp
(có thể mất bám hồn tồn), cơng suất tuần hồn từ cầu đó về các cầu cịn lại làm
tăng cơng suất cho các cầu cịn lại, chính nhờ lý do đó mà có thể xe vẫn chuyển
động được. Như vậy hiện tượng tuần hồn cơng suất làm tăng khả năng thơng qua
của xe trên các địa hình phức tạp, điều này là rất phù hợp ñối với xe quân sự thường
xuyên hoạt động trên những địa hình có đường hoặc khơng có ñường.
Một ví dụ khác nữa về tác dụng tốt của hiện tượng tuần hồn cơng suất đó là
với xe tăng thiết giáp khi sử dụng cơ cấu quay vòng hành tinh hai bậc, nhờ có hiện
tượng tuần hồn cơng suất, khi quay vịng có một phần cơng suất tuần hồn từ dải
xích dừng sang bên phía dải xích chạy, do vậy làm giảm tải cho ñộng cơ và khả
năng quay vịng của xe được cải thiện hơn rất nhiều.
1.2. Tình hình nghiên cứu về hiện tượng tuần hồn cơng suất
Hiện tượng tuần hồn cơng suất giữa các bánh xe trên một cầu chủ ñộng
hoặc giữa các cầu chủ ñộng với nhau ñã ñược ñề cập trong một số tài liệu, ñặc biệt
là các tài liệu chính thống về lý thuyết ơ tơ cũng như kết cấu tính tốn ơ tơ. Trong
một số tài liệu, khi tính tốn thiết kế hệ thống truyền lực, đối với hiện tượng tuần
hồn cơng suất chỉ được tính tốn ở các trạng thái cân bằng, và tính tốn ở từng
trạng thái một, khơng thể hiện được kết quả tính tốn theo thời gian ở tất cả các
trạng thái ñặc biệt là trạng thái quá ñộ.


13
Ở Việt Nam cũng đã có một số đề tài nghiên cứu về ảnh hưởng của hiện
tượng tuần hồn cơng suất gây nên việc gia tăng tải trọng lên các chi tiết truyền tải

của hệ thống truyền lực trên xe, từ đó nghiên cứu khả năng chịu tải của các chi tiết
khi có hiện tượng tuần hồn cơng suất. Tuy nhiên, phương pháp tính tốn là tính
tốn ở trạng thái cân bằng, chọn giá trị mơ men tính tốn thực tế trên chi tiết hoặc
cụm chi tiết đó.
1.3. Tính cấp thiết của đề tài
Xuất phát từ tình hình nghiên cứu về hiện tượng tuần hồn cơng suất, ta thấy
cần thiết phải nghiên cứu và thể hiện ñược hiện tượng tuần hồn cơng suất trong hệ
thống truyền lực của ơ tơ quân sự ở tất cả các trạng thái, trong cả q trình hoạt
động của hệ thống truyền lực.
Mặt khác, trên quan ñiểm của lý thuyết ñộng lực học truyền thống, khi tính
tốn ta tính với các trạng thái cân bằng và ở các ngưỡng. Ngày nay, mục tiêu địi hỏi
khi nghiên cứu khơng chỉ là để đạt được các chỉ tiêu đặt ra tại các ngưỡng cần thiết
ví dụ như vận tốc chuyển ñộng lớn nhất, ñộ bền của các chi tiết khi chịu tải trọng
tác dụng lớn nhất... mà ñặt ra việc cần thiết phải kiểm soát ñược quá trình, theo dõi
được q trình thậm chí cịn có u cầu điều khiển q trình để đạt được những chỉ
tiêu tối ưu cụ thể. Vì vậy việc nghiên cứu hiện tượng tuần hồn cơng suất theo cả
một q trình bao gồm các trạng thái quá ñộ và trạng thái ổn ñịnh là rất cần thiết.
Với các công cụ và phần mềm mơ phỏng như hiện nay, để giảm thiểu chi phí
cho cơng việc nghiên cứu, hầu hết các q trình ñều thông qua một bước quan trọng
với sự trợ giúp của máy tính số. ðó là mơ phỏng các q trình trên máy tính, kiểm
sốt và thay đổi, lựa chọn các thông số tối ưu rồi mới chuyển qua giai ñoạn chế thử.
ðối với hệ thống truyền lực của các xe qn sự nhiều cầu, hiện tượng tuần hồn
cơng suất trên từ trước ñến nay chưa ñược ñưa vào nghiên cứu với mơ hình động
lực học của tồn xe, do vậy đó cũng là một u cầu cấp thiết đặt ra phải mơ phỏng
được động lực học tồn xe khi có hiện tượng tuần hồn cơng suất với các trạng thái
khác nhau.


14
1.4. Mục đích, nhiệm vụ, phương pháp thực hiện và phạm vi nghiên cứu

1.4.1. Mục đích
Mục đích đặt ra của đề tài là nghiên cứu hiện tượng tuần hồn cơng suất có
thể xảy ra trong q trình khai thác sử dụng, đánh giá được ảnh hưởng của một số
thơng số kết cấu và sử dụng tới hiện tượng tuần hoàn công suất trên ô tô quân sự và
xe bọc thép bánh lốp. Mơ phỏng được động lực học tồn xe khi có hiện tượng tuần
hồn cơng suất xuất hiện ở các trạng thái.
1.4.2. Nhiệm vụ
Các nhiệm vụ cụ thể của ñề tài là:
-

Mô phỏng hệ thống truyền lực xe ô tô quân sự và xe bọc thép bánh lốp.

-

Trên cơ sở mơ hình mơ phỏng tiến hành phân tích hoạt ñộng của hệ thống
truyền lực, tập trung vào các trạng thái hoạt động có thể xảy ra hiện
tượng tuần hồn cơng suất.

-

Nghiên cứu hiện tượng tuần hồn cơng suất.

-

ðánh giá về ảnh hưởng của một số thông số kết cấu và sử dụng tới hiện
tượng tuần hồn cơng suất, từ ñó ñưa ra một số kiến nghị về giải pháp kết
cấu và sử dụng.

1.4.3. Phương pháp nghiên cứu và lựa chọn cơng cụ thực hiện
-

Phân tích hệ thống dựa trên cơ sở lý thuyết dịng lực.

-

Tính tốn và nghiên cứu bằng phương pháp mô phỏng.

-

Chọn công cụ thực hiện là SimDriveLine trong Matlab-Simulink.

1.4.4. Phạm vi nghiên cứu
Nội dung chính của ñề tài tập trung nghiên cứu hiện tượng tuần hoàn công
suất trên xe ô tô quân sự và xe bọc thép bánh lốp, cụ thể chọn ba ñối tượng xe điển
hình để nghiên cứu đó là xe GAZ66, ZIL131, BTR60PB.


15
Nghiên cứu hiện tượng tuần hồn cơng suất trong trường hợp xe chuyển
động thẳng với q trình tăng tốc từ 0-Vmax, khi có sự thay đổi của bán kính bánh
xe, hệ số bám của đường, và một thơng số kết cấu của hệ thống truyền lực là hệ số
ma sát trong của cơ cấu vi sai.


16
Kết luận chương
Hiện tượng tuần hồn cơng suất có ảnh hưởng hai mặt tới hoạt ñộng của hệ
thống truyền lực. Việc nghiên cứu hiện tượng tuần hồn cơng suất là rất cần thiết để
có được những phương án thích hợp về kết cấu và quy trình sử dụng thậm chí điều
khiển q trình tuần hồn cơng suất nhằm đạt được u cầu ứng với mục đích sử

dụng trang thiết bị.
Việc nghiên cứu hiện tượng tuần hồn cơng suất được thực hiện trên mơ hình
mơ phỏng hệ thống truyền lực, mơ hình mơ phỏng được xây dựng bằng cơng cụ
SimDriveLine, dựa trên mơ hình vật lý thực và mơ hình tốn học tính tốn hệ thống.
Mơ hình tốn học của hệ thống được xây dựng trên cơ sở lý thuyết dịng lực và sử
dụng phương pháp mơ phỏng để tính tốn.
ðối tượng nghiên cứu cụ thể ñược chon là xe GAZ66(4x4), ZIL131(6x6),
BTR60PB(8x8). Phạm vi nghiên cứu ñược giới hạn ñối với chuyển động thẳng của
xe, điều đó có nghĩa là mơ hình mơ phỏng được xây dựng cho mơ hình phẳng.


17
Chương 2
XÂY DỰNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC
Nhiệm vụ chính của chương 2 là xây dựng mơ hình mơ phỏng hệ thống
truyền lực cho phép tính tốn, khảo sát hệ thống thực dựa trên cơ sở lý thuyết dòng
lực đã được nêu trong chương 1. Thơng qua mơ hình mơ phỏng, có thể tính tốn
được những số liệu cần thiết phục vụ cho việc khảo sát hiện tượng tuần hồn cơng
suất trên ơ tơ qn sự. Mơ hình mơ phỏng được xây dựng trên cơ sở mơ hình vật lý
của hệ thống thực và mơ hình tốn học, để xây dựng được mơ hình mơ phỏng phải
tiến hành xây dựng mơ hình tốn học của hệ thống từ mơ hình vật lý trên cơ sở của
lý thuyết dịng lực.
2.1. Nhiệm vụ xây dựng mơ hình hệ thống
2.1.1. Khái qt chung.
ðiều đầu tiên khi thực hiện tính tốn hệ thống truyền lực là phải xây dựng
được mơ hình tốn học của hệ thống. Các mối quan hệ toán học trong mơ hình tốn
được xây dựng sẽ mơ tả các trạng thái hoạt ñộng của hệ thống truyền lực, chúng
ñược biểu diễn dưới dạng các đẳng thức, phương trình, bất phương trình ... qua đó
mơ tả được bản chất vật lý của hệ thống theo ñúng yêu cầu và phạm vi nghiên cứu.
Mơ hình tốn học là cơ sở để thực hiện tất cả các nhiệm vụ tính tốn khi tiến

hành khảo sát hệ thống truyền lực. Mơ hình tốn học phản ánh ñầy ñủ, trung thực
bản chất vật lý của hệ thống sẽ cho kết quả tính tốn đầy đủ và chính xác.
Mơ hình tốn của hệ thống truyền lực ñược xây dựng dựa trên các cơ sở sau:
-

Yêu cầu nhiệm vụ của bài tốn.

-

Mơ hình vật lý của hệ thống.

-

Tính chất của tín hiệu đầu vào, tín hiệu trạng thái và tín hiệu đầu ra.

-

Các giả thiết được sử dụng trong tính tốn.

-

Phương pháp biểu diễn và tính tốn hệ thống truyền lực.

-

Khả năng của người thực hiện.


18
Các thơng số đầu ra chính là cái đích cần đạt được của q trình tính tốn.

Việc xác định thơng số đầu ra là gì lại căn cứ vào u cầu nhiệm vụ của bài tốn cụ
thể. Ví dụ, nếu u cầu của bài tốn chỉ là xây dựng đặc tính kéo của xe, thì thơng
số đầu ra chỉ là xác ñịnh quy luật thay ñổi giá trị lực kéo ñơn vị theo vận tốc chuyển
ñộng của xe. Nhưng nếu bài tốn u cầu đánh giá chất lượng xe theo các chỉ tiêu
tăng tốc, tính việt dã, tính kinh tế nhiên liệu, độ êm dịu chuyển động v.v, thì thơng
số ñầu ra sẽ là một tập hợp các giá trị hay miền giá trị khác nhau. ðể có được một
thơng số ñầu ra cần phải xây dựng một hoặc một số phương trình tính tốn. Hiển
nhiên rằng càng nhiều thơng số đầu ra cần xác định thì số lượng phương trình cần
thiết sẽ càng nhiều hơn, tức là quy mơ của mơ hình tốn học sẽ lớn hơn.
Mơ hình tốn học phải được xây dựng theo mơ hình vật lý và các ñặc ñiểm
cụ thể của hệ thống truyền lực. Các dạng hệ thống truyền lực khác nhau sẽ địi hỏi
các phương pháp biểu diễn và tính tốn khác nhau, có những phương trình và số
lượng phương trình khác nhau, từ đó sẽ có những mơ hình tốn học khác nhau.
Hiện nay, khi tiến hành khảo sát hệ thống truyền lực trên xe, người ta thường
sử dụng các phương pháp biểu diễn và tính tốn hệ thống truyền lực sau:
-

Biểu diễn và tính tốn theo phương pháp lực.

-

Biểu diễn và tính tốn theo phương pháp dịng lực.

-

Biểu diễn và tính tốn theo phương pháp mơ hình liên kết.

-

Biểu diễn và tính tốn theo phương pháp mơ phỏng.

Phương pháp lực, phương pháp dịng lực và phương pháp mơ hình liên kết
cũng chính là những phương pháp thường được sử dụng để phân tích hệ thống và
xây dựng mơ hình tốn học của hệ thống truyền lực.
Hệ thống truyền lực của xe bao gồm rất nhiều các cụm và các phần tử với
các chức năng và nhiệm vụ khác nhau. Thông thường, trên ô tô quân sự, hệ thống
truyền lực bao gồm: Ly hợp, hộp số, hộp số phân phối, truyền lực các đăng, truyền
lực chính, cầu xe và các bánh xe.


19
Với ơ tơ qn sự, một đặc điểm nổi bật nhất đó là để đảm bảo cho ơ tơ hoạt
động trên các địa hình có đường hoặc khơng có đường, thơng thường các xe đều có
tất cả các cầu đều là cầu chủ động. Ví dụ như các xe có công thức bánh xe là 4x4
như UAZ469, GAZ66…, các xe có cơng thức bánh xe là 6x6 như ZIL131,
ZIL157K…
Cùng đó, để đảm bảo tăng tính năng thơng qua cho các xe khi hoạt động trên
các loại địa hình phức tạp, trong cơ cấu vi sai giữa các bánh xe hoặc vi sai giữa các
cầu xe thường có thiết kế với hệ số ma sát trong cao hoặc có cơ cấu khoá vi sai.
Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn, với đối tượng nghiên cứu là các xe
ơ tơ qn sự và xe bọc thép bánh lốp, khi hoạt ñộng trên các địa hình phức tạp với
kết cấu của hệ thống truyền lực có tất cả các cầu đều là cầu chủ động, hiện tượng
tuần hồn cơng suất sẽ xuất hiện đối với xe có bộ vi sai có ma sát trong cao hoặc khi
khố vi sai đang trong trạng thái hoạt ñộng, các bánh xe trên cùng một cầu hoặc trên
các cầu có bán kính lăn khác nhau, hệ số bám khác nhau giữa hai bánh xe trên cùng
một cầu hoặc trên các cầu.
Do đó, nội dung chính của chương này tập trung xây dựng mơ hình của các
phần tử trong hệ thống truyền lực như động cơ, mơ hình cụm truyền lực chính và vi
sai giữa hai bánh xe, mơ hình cụm vi sai cầu xe, mơ hình thân xe có các cầu đều chủ
động, mơ hình lốp có với tương tác mặt đường, và mơ hình động lực học tồn xe

cho các loại xe có cơng thức bánh xe là 4x4, 6x6, 8x8. ðối tượng nghiên cứu hiện
tượng tồn hồn cơng suất cụ thể là xe GAZ66 với vi sai cam ma sát trong cao giữa
hai bánh xe trên một cầu chủ ñộng, xe ZIL131 với bộ truyền động liên thơng giữa
các cầu và khơng có vi sai cầu, và xe BTR60PB.
Phương pháp xây dựng mơ hình mơ phỏng là đi xây dựng các mơ đun mơ
phỏng các cụm, các cơ cấu riêng biệt trong hệ thống truyền lực, sau đó bằng cách tổ
hợp hệ thống, nối ghép các cụm theo kết cấu thực của hệ thống truyền lực cụ thể để
có được mơ hình mơ phỏng hoàn thiện.


20
2.1.2. Khái quát chung về mô phỏng, phần mềm Matlab-Simulink và mơ đun
SimDriveline
a. Khái qt chung về mơ phỏng
Trong kỹ thuật có thể hiểu mơ phỏng là sự nghiên cứu hệ thống thực thơng
qua mơ hình trạng thái, đảm bảo tính tương tự giữa kết quả trên mơ hình và kết quả
của hệ thống thực trong cùng một ñiều kiện khảo sát với một sai số có thể chấp
nhận được.
Hạn chế lớn nhất của mơ phỏng chính là sự thiếu chính xác của kết quả giữa
mơ hình và hệ thống thực. Mức độ chính xác của q trình mơ phỏng phụ thuộc vào
nhiều yếu tố. Thứ nhất, tính trung thực khi mơ tả các tính chất vật lý của hệ thống
ñược nghiên cứu; thứ hai, mức ñộ sai số ñược lựa chọn; thứ ba, cơng cụ được sử
dụng để tiến hành mơ phỏng; và thứ tư là phương pháp tính tốn khi tiến hành mơ
phỏng.
b. Khái qt về phần mềm Matlab-Simulink và mơ đun SimDriveline
Simulink là một Toolbox của MATLAB dùng để mơ hình hố, mơ phỏng và
phân tích một hệ thống động. Thơng thường Simulink được dùng để thiết kế hệ
thống điều khiển, hệ thống thơng tin và các ứng dụng mô phỏng khác. Simulink cho
phép mô tả hệ thống tuyến tính, hệ phi tuyến, các mơ hình trong miền thời gian liên
tục và gián đoạn. ðể mơ hình hố, Simulink cung cấp một giao diện đồ hoạ để sử

dụng và xây dựng mơ hình với thao tác “nhấn và kéo” chuột. Với giao diện đồ họa,
có thể xây dựng và khảo sát mơ hình một cách trực quan hơn. ðây là sự khác biệt
với các phần mềm khác mà người sử dụng phải đưa vào các phương trình vi phân
và sai phân bằng ngơn ngữ lập trình. ðể sử dụng tốt Simulink, người sử dụng phải
có kiến thức cơ bản về điều khiển, xây dựng mơ hình tốn học theo quan ñiểm của
lý thuyết ñiều khiển và từ đó thành lập nên mơ hình bài tốn.
Ưu điểm của Simulink trong MATLAB là khả năng kết tích hợp hệ thống rất
mạnh mẽ. Simulink làm việc dựa trên cơ sở giải các phương trình tốn học. Vì vậy
với một hệ thống có nhiều cụm có tính chất vật lý khác nhau (cơ khí, thuỷ lực, điện,


21
khí ...) nếu có thể mơ tả bằng các phương trình tốn học đều được giải kết hợp trong
cùng một mơ hình. Việc sử dụng Simulink cho phép kết hợp các hệ thống (khác
nhau về phương diện vật lý nhưng biểu diễn được bằng các phương trình tốn học)
trong cùng một mơ hình.
Khi tiến hành mơ phỏng, Simulink có thể thực hiện việc giải hệ phương trình
vi phân mơ tả ñộng học hệ thống bằng các phương pháp như Ơle, Runge-Kutta3,
Runge-Kutta5, LinSim, Gear, Euler vv... tuỳ theo lựa chọn của người thực hiện.
SimDriveline cũng là một Toolbox của MATLAB giao tiếp với Simulink qua
các khối chuyển ñổi ñặc biệt. ðặc ñiểm của Simulink là tín hiệu ñi theo chiều qui
ñịnh và trong các mơ hình Closeloop có tín hiệu phản hồi. Một ñiểm khác biệt cơ
bản của SimDriveline so với Simulink là khơng qui định chiều đi của tín hiệu, tín
hiệu phản hồi đi chung trong cùng một đường truyền tín hiệu. ðiều này làm mơ
hình mơ phỏng gần với thực tế hơn.
Trong thư viện của SimDriveline có các khối cơ bản của xe như động cơ,
biến mơ thủy lực, ly hợp, hộp số thủy cơ, cơ khí, các trục truyền, vi sai, các cặp
bánh răng ăn khớp, bánh xe, thân xe… Tùy thuộc vào kết cấu của xe khác nhau, sử
dụng các khối ghép nối với nhau ñể xây dựng mơ hình cho phù hợp.
2.2. Xây dựng mơ hình hệ thống

2.2.1. Xây dựng mơ hình khối động cơ
Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn, khối ñộng cơ ñược xây dựng dựa
trên cơ sở khối Gasoline Engine trong thư viện sẵn có của mơ đun SimDriveline.
Tuy nhiên, đường đặc tính mơ men và cơng suất của động cơ được xây dựng bằng
cách sử dụng công thức thực nghiệm Lây ñéc man cho ñộng cơ xăng có bộ hạn chế
tốc ñộ tối ña (theo tài liệu [2]). Tín hiệu ñầu vào điều khiển của khối động cơ là tín
hiệu phần trăm góc mở bướm ga và tốc độ thực tế của xe được đưa trở lại để so
sánh và tìm ñược giá trị mô men tương ứng với chế ñộ hoạt ñộng ở bước tiếp theo.
Theo tài liệu [2], ta có, cơng thức thực nghiệm của S.R.Lâécman:


22

n
M e = M eN a + b e

 nN

  ne
 − c
  nN





2






(2.1)

Trong đó:
MeN – Mơ men xoắn ứng với cơng suất hữu ích cực đại của ñộng cơ
Me – Mô men xoắn ứng với tốc ñộ quay bất kỳ của trục khuỷu trên đồ thị đặc
tính ngồi
nN - Tốc độ quay của trục khuỷu động cơ tương ứng với cơng suất cực đại
ne - Tốc độ quay của trục khuỷu động cơ tương ứng với cơng suất Ne và mô
men xoắn Me
a,b,c - Các hệ số thực nghiệm của động. Với các loại động cơ có các thơng
số kỹ thuật chính như Nemax, Memax và số vịng quay trục khuỷu tại các vị trí đó.
Ta có thể xác ñịnh các hệ số a, b, c một cách chính xác, bằng phương pháp
giải tích như sau:

a=

k M k w (2 − k w ) − 1
k w (2 − k w ) − 1

(2.2)

b=

1− a
1 − 0,5k w

(2.3)

c = kw

b
2

(2.4)

Với:

kM =

M e max
MN

(2.5)

kw =

nN
nM

(2.6)

Memax - Mô men xoắn cực ñại ñộng cơ
nM - Tốc ñộ quay trục khuỷu tại vị trí đạt mơ men xoắn cực đại
Cơng suất động cơ được tính theo cơng thức sau đây:

Ne =

9,81.M e .π .ne

1000.30

(2.7)


23
ðoạn mã xây dựng đặc tính cho động cơ xăng có bộ hạn chế tốc độ tối đa sử
dụng để xây dựng mơ hình mơ phỏng khối động cơ được thể hiện trên hình 2.1.
Hình 2.2 thể hiện hộp thoại giao diện nhập dữ liệu ñầu vào cho khối ñộng cơ.

Hình 2.1. ðoạn mã xây dựng đường đặc tính của ñộng cơ xăng theo Lây ñéc man

Hình 2.2. Hộp thoại nhập thơng số chính của động cơ
Các thơng số chính được nhập vào đó là cơng suất lớn nhất (Maximum
power), tốc độ ứng với cơng suất lớn nhất (Speed at maximum power), tốc ñộ lớn
nhất (Maximum speed), tốc ñộ nhỏ nhất (Minimum speed). Mơ hình mơ phỏng khối
động cơ được xây dựng trong SimDriveLine được biểu thể hiện như hình 2.3.


24

-K-

Peak torque

Vel
Tor

1
1

Transducer

Throttle

Hình 2.3. Mơ hình mơ phỏng khối động cơ được trong SimDriveLine
Tín hiệu đầu vào là phần trăm góc mở bướm ga, đưa vào và tra bảng đặc
tính, tìm ñược giá trị mô men, giá trị mô men ñược ñưa tới bộ chuyển ñổi năng
lượng Transducer, và ñược ñưa ñến cổng kết nối ra phần tiếp theo của hệ thống
truyền lực. Mơ men của động cơ sinh ra được cân bằng với mơ men truyền từ mặt
đường lên trên trục kết nối cứng, giá trị tốc ñộ thực tế của trục cứng (từ bánh xe)
ñược ñưa trở lại tra bảng tìm được giá trị mơ men của động cơ tương ứng ở trạng
thái tiếp theo. Như vậy quá trình hoạt động của khối động cơ được mơ phỏng là phù
hợp với q trình hoạt động thực tế.

P(W); M(N.m)*200

4

9

Dac tinh ngoai dong co tren xe GAZ66

x 10

8
7
6
5
4

3
2
1
0
500

1000

1500

2000

2500

3000
n(v/ph)

Hình 2.4. ðồ thị đặc tính ngồi động cơ GAZ66


25
Các thơng số chính của động cơ lắp trên các xe GAZ66, ZIL131, BTR60PB
được cho trong bảng 2.1.
STT

Bảng 2.1. Thơng số chính của động cơ lắp trên các xe khảo sát
Thơng số
Loại xe
GAZ66
ZIL131

BTR60PB

1

Loại động cơ

2

Tỷ số nén

6.7

6.5

6.7

3

Dung
tích
cơng tác (l)

4.25

6.0

3.48 x 2

4

DxS (mm)

92 x 80

100 x 95

82 x 100

5

Công suất lớn
nhất (ml)

115

150

90 x 2

6

Số vịng quay
ứng với cơng
suất lớn nhất
(v/ph)

3200

3200

3600

7

Mơ men xoắn
lớn
nhất
(KGm)

29

41

22.5 x 2

8

Số vịng quay
ứng với mơ
men xoắn lớn
nhất (v/ph)

2000 - 2200

1800 - 2000

1600 – 1800

Xăng, 4 kỳ, 8 xi Xăng, 4 kỳ, 8 xi Xăng, 4 kỳ, 6 xi
lanh, chữ V

lanh, chữ V
lanh, 1 hàng

2.2.2. Xây dựng mơ hình khối ly hợp
Trong việc mô phỏng hệ thống truyền lực, việc mơ phỏng các trạng thái hoạt
động của khối ly hợp là rất khó khăn.
Theo lý thuyết dịng lực, ly hợp là một nút trượt khi tốc ñộ của hai khâu chủ
động và bị động khơng bằng nhau nhưng khơng ngắt hồn tồn, là nút xun suốt
khi tốc độ giữa hai khâu bằng nhau (khơng có trượt), và là nút khơng tải khi ngắt
hồn tồn. Trạng thái khơng trượt xảy ra khi mơ men của khâu chủ động nhỏ hơn