Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện chuyển động đến vận tốc của ô tô trang bị hộp số tự động

i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

ĐỖ NGỌC HUY

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN CHUYỂN

ĐỘNG ĐẾN VẬN TỐC CỦA Ô TÔ TRANG BỊ HỘP SỐ TỰ

ĐỘNG

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Mã số: 8520116

Thái Nguyên - 2019

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

ii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là Đỗ Ngọc Huy, học viên lớp cao học K20 chuyên ngành Kỹ thuật

Cơ khí động lực. Sau hai năm học tập và nghiên cứu, được sự giúp đỡ của các

thầy cô giáo và đặc biệt là sự giúp đỡ của TS. Nguyễn Khắc Tuân, thầy giáo

hướng dẫn tốt nghiệp đến nay tôi đã đi đến cuối chặng đường để kết thúc khóa

học.

Tôi đã quyết định chọn dề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện

chuyển động đến vận tốc của ô tô trang bị hộp số tự động”.

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự

hướng dẫn của thầy giáo TS. Nguyễn Khắc Tuân và chỉ tham khảo các tài liệu

đã được liệt kê. Tôi không sao chép công trình và của cá nhân nào khác dưới

bất cứ hình thức nào.

Nếu sai tôi xin chịu mọi hình thức kỷ luật theo quay định.

Người thực hiện

Đỗ Ngọc Huy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

iii

LỜI CẢM ƠN

Có được kết quả này, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS.

Nguyễn Khắc Tuân, người đã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình

nghiên cứu và hoàn thành luận văn này.

Tác giả bày tỏ lòng biết ơn đối Ban lãnh đạo và phòng Đào tạo của trường

Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã tạo điều kiện thuận lợi để tôi

hoàn thành bài luận văn này.

Tác giả cũng chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm Khoa kỹ thuật ô tô và

máy động lực trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã tạo mọi

điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện bản

luận văn này.

Tôi xin cảm ơn các đồng nghiệp đã động viên giúp đỡ tôi trong suốt thời

gian học tập nghiên cứu và hoàn thành luận văn.

Mặc dù đã cố gắng hết sức mình nhưng do năng lực bản thân còn nhiều

hạn chế nên luận văn không tránh khỏi những sai sót, tác giả rất mong nhận

được sự đóng góp ý kiến của các thầy, cô các nhà khoa học và đồng nghiệp.

Tác giả

Đỗ Ngọc Huy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

iv

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................. i

LỜI CẢM ƠN .................................................................................................. iii

MỤC LỤC .................................................................................................... iv

DANH MỤC HÌNH ẢNH ............................................................................... vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................. ix

MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1

1. Lý do chọn đề tài ......................................................................................... 1

2. Mục đích, nội dung và phạm vi nghiên cứu của đề tài ............................... 2

Chương 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ....................................... 3

1.1. Giới thiệu chung về hệ thống truyền lực .................................................. 3

1.1.1. Vai trò của hệ thống truyền lực trên ô tô ............................................ 3

1.1.2. Chức năng của hệ thống truyền lực .................................................... 5

1.1.3. Các bộ phận chính trong hệ thống truyền lực ..................................... 7

1.1.4. Phân loại hệ thống truyền lực ............................................................. 7

1.2 Tổng quan về hộp số tự động .................................................................... 8

1.2.1 Lịch sử phát triển hộp số tự động ........................................................ 8

1.2.2 Khái quát về hộp số tự động .............................................................. 14

1.2.2.1 Công dụng ................................................................................... 14

1.2.2.2 Yêu cầu ........................................................................................ 15

1.2.2.3 Phân loại ..................................................................................... 15

1.2.2.4. Ưu nhược điểm của hộp số tự động ........................................... 17

1.2.3 Các bộ phận chính trong hộp số tự động ........................................... 19

1.2.3.1 Bộ biến mô men thuỷ lực ............................................................. 19

1.2.3.2 Hộp số cơ khí .............................................................................. 20

1.2.3.3. Hệ thống điều khiển hộp số tự động .......................................... 23

1.3 Các nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến hộp số tự động ....... 25

1.3.1 Các nghiên cứu trong nước ................................................................ 25

1.3.2 Các nghiên cứu ngoài nước ................................................................ 27

1.4. Kết luận chương 1 .................................................................................. 27

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

v

Chương 2 - XÂY DỰNG MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU ................................... 27

2.1. Phương pháp nghiên cứu thông qua mô phỏng ..................................... 27

2.1.1.Phương pháp mô phỏng thông qua thiết lập hệ phương trình vi phân

liên kết giữa các vật trong hệ .......................................................................... 29

2.1.2. Phương pháp mô phỏng thông qua mô tả các vật và liên kết ........... 30

2.2. Xây dựng mô hình nghiên cứu ............................................................... 34

2.2.1. Mô hình động cơ ............................................................................... 34

2.2.2. Mô hình bộ biến mô thủy lực ............................................................ 36

2.2.2.1. Cấu tạo biến mô thủy lực ........................................................... 36

2.2.2.2 Các thông số cơ bản của biến mô thuỷ lực ................................. 37

2.2.2.3. Đặc tính không thứ nguyên của biến mô ................................... 39

2.2.3. Mô hình hộp số.................................................................................. 42

2.2.4 Mô hình khối điều khiển chuyển số ................................................... 46

2.2.5. Mô hình lốp ....................................................................................... 50

2.2.6. Mô hình thân xe ................................................................................ 51

2.2.7. Mô hình điều khiển người lái ............................................................ 53

2.2.8. Mô hình toàn xe ................................................................................ 54

2.3. Kết luận chương 2 .................................................................................. 55

Chương 3 - MÔ PHỎNG XÁC ĐỊNH VẬN TỐC CỦA Ô TÔ ..................... 55

TRANG BỊ HỘP SỐ TỰ ĐỘNG .................................................................... 55

3.1. Trường hợp mô phỏng ........................................................................... 56

3.2. Phân tích kết quả .................................................................................... 56

3.2.1. Kết quả mô phỏng trường hợp 1-ô tô tăng tốc từ trạng thái đứng

yên ................................................................................................................... 56

3.2.2. Kết quả mô phỏng trong trường hợp 2: khi ô tô vượt xe phía trước 60

3.2.3 Kết quả mô phỏng trường hợp ô tô chuyển động lăn trơn ................. 64

3.2.4 Kết quả mô phỏng trường hợp phanh gấp ......................................... 68

3.3. Kết luận chương 3 .................................................................................. 71

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ......................................................................... 72

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 73

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

vi

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1. Đặc tính kéo lý tưởng của ô tô và khả năng đáp ứng của động cơ đốt trong.

..................................................................................................................................... 3

Hình 1.2. Vùng làm việc của ô tô với hệ thống truyền lực cơ khí có 4 cấp. ............... 5

Hình 1.2 Đặc tính kéo của ôtô có hộp số thường ...................................................... 14

Hình 1.3 Hộp số tự động kiểu FF (a) và FR ............................................................. 16

Hình 1.4 Cấu tạo chung của hộp số tự động ............................................................. 19

Hình 1.5 Biến mô thủy lực ........................................................................................ 19

Hình 1.6 Hộp số cơ khí ............................................................................................. 21

Hình 1.7 Các chế độ làm việc của cơ cấu hành tinh ................................................. 22

Hình 1.8 Sơ đồ cấu tạo của hộp số tự động 5 cấp ..................................................... 22

Hình 1.9 Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý của hệ thống điều khiển ................................. 23

Hình 1.10 Sơ đồ cấu tạo của liên kết điều khiển bằng tay ........................................ 25

Hình 2.1 Sơ đồ các phương pháp mô phỏng ............................................................. 29

Hình 2.2 Mô hình mô phỏng ô tô trang bị hộp số tự động bằng phần mềm Maple Sim

................................................................................................................................... 31

Hình 2.3 Mô hình các phần tử hệ thống truyền lực với phần mềm Modelica .......... 32

Hình 2.4 Mô hình mô phỏng ô tô với hộp số tự động bằng phần mềm Modelica .... 32

Hình 2.5 Mô hình mô phỏng ô tô với hộp số tự động bằng công cụ Simdriveline

Mechanic trong phần mềm Matlab [21] .................................................................... 33

Hình 2.6 Mô phỏng ô tô bằng phần mềm Carsim ..................................................... 33

Hình 2.7 Mô hình động cơ đốt trong ......................................................................... 35

Hình 2.8 Kết quả mô phỏng công suất động cơ phụ thuộc ....................................... 35

vào độ mở bướm ga ................................................................................................... 35

Hình 2.9 Biến mô thủy lực ........................................................................................ 36

Hình 2.10 Sự làm việc của biến mô thủy lực [10]. ................................................... 36

Hình 2.11 Đặc tính không thứ nguyên [10] .............................................................. 40

Hình 2.12 Mô hình biến mô men thủy lực trong Simscape ...................................... 41

Hình 2.13 Kết quả mô phỏng đặc tính của biến mô .................................................. 42

Hình 2.14 Bộ truyền hành tinh 3 tốc độ hộp số A140 Toyota .................................. 42

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

vii

Hình 2.15 Bộ truyền hành tinh 4 tốc độ loại CR-CR ................................................ 43

sử dụng trong hộp số tự động U340 .......................................................................... 43

Hình 2.16 Bộ truyền hành tinh loại 4 tốc độ ravigneaux .......................................... 44

sử dụng trong hộp số tự động U440 .......................................................................... 44

Hình 2.17 Sơ đồ bộ truyền hành tinh 4 cấp loại CR-CR với 5 ly hợp ..................... 44

Hình 2.18 Mô hình mô phỏng hộp số 4 cấp [21] ...................................................... 46

Hình 2.19 Nguyên lý chuyển số hộp số tự động [10] ............................................... 47

Hình 2.20 Đồ thị công suất ở các cấp số khác nhau ................................................. 48

Hình 2.21 Mô hình khối điều khiển chuyển số ......................................................... 49

Hình 2.22 Sơ đồ Simulink Simscape mô tả lốp ........................................................ 51

Hình 2.23 Sơ đồ lực tác dụng lên ô tô ....................................................................... 52

Hình 2.24 Sơ đồ khối Simulink mô tả thân xe .......................................................... 53

Hình 2.25 Tác động của người lái ............................................................................. 54

Hình 2.26 Mô hình mô phỏng toàn xe trang bị hộp số tự động 4 cấp ...................... 55

Hình 3.1 Tác động phanh và ga của người lái khi tăng tốc từ từ .............................. 57

Hình 3.2 Sự thay đổi của tốc độ, mô men xoắn và công suất có ích của động cơ khi ô

tô tăng tốc từ từ ......................................................................................................... 57

Hình 3.3 Đồ thị tốc độ và mô men trên trục bánh bơm và bánh tua bin khi ô tô tăng

tốc từ từ ..................................................................................................................... 58

Hình 3.4 Đồ thị tốc độ trên trục sơ cấp và thứ cấp của hộp số ................................. 59

khi ô tô tăng tốc từ từ ................................................................................................ 59

Hình 3.5 Đồ thị tốc độ của ô tô khi tăng tốc từ từ ..................................................... 60

Hình 3.6 Quá trình ô tô tăng tốc vượt xe phía trước ................................................. 60

Hình 3.7 Tác động phanh và ga của người lái .......................................................... 61

Hình 3.8 Sự thay đổi của tốc độ, mô men xoắn và công suất có ích của động cơ khi ô

tô vượt xe phía trước ................................................................................................. 62

Hình 3.9 Đồ thị tốc độ và mô men trên trục bánh bơm và bánh tua bin khi ô tô thực

hiện vượt xe phía trước ............................................................................................. 62

Hình 3.10 Đồ thị tốc độ trên trục sơ cấp và thứ cấp của hộp số khi ô tô vượt xe phía

trước .......................................................................................................................... 63

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

viii

Hình 3.11 Đồ thị tốc độ của ô tô trong trường hợp vượt xe phía trước .................... 64

Hình 3.12 Tác động từ người lái khi xe chuyển động lăn trơn ................................. 65

Hình 3.13 Đồ thị biến thiên tốc độ công suất và mô men xoắn của động cơ ........... 65

khi ô tô chuyển động lăn trơn.................................................................................... 65

Hình 3.14 Đồ thị biến thiên tốc độ và mô men xoắn trên trục bánh bơm và bánh tuabin

của biến mô thủy lực khi ô tô chuyển động lăn trơn ................................................. 66

Hình 3.15 Đồ thị tốc độ trục hộp số và trạng thái làm việc của ly hợp .................... 66

Hình 3.16 Đồ thị vận tốc của ô tô khi lăn trơn .......................................................... 67

Hình 3.17 Tác động của người lái khi phanh gấp ..................................................... 68

Hình 3.18 Đồ thị biến thiên tốc độ công suất và mô men xoắn của động cơ ........... 69

Hình 3.19 Đồ thị biến thiên tốc độ và mô men xoắn trên trục bánh bơm và bánh tuabin

của biến mô thủy lực ................................................................................................. 69

Hình 3.20 Đồ thị tốc độ trục và trạng thái làm việc của ly hợp hộp số .................... 70

Hình 3.21 Đồ thị vận tốc của ô tô khi phanh gấp ...................................................... 70

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

ix

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Trạng thái làm việc của các ly hợp ứng với các tay số .............................. 45

Bảng 2.2 Giá trị các hệ số B, C, D, E ứng với một số loại đường ............................ 50

Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của ô tô ......................................................................... 56

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

x

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

TT Ý NGHĨA KÍ HIỆU

1 Hộp số tự động AT

2 Hộp số tự động ly hợp kép DCT

3 Hệ thống truyền lực HTTL

Hộp số với 2 dãy hành tinh với kết cấu cần của

4 bộ truyền hành tinh này nối với bánh răng bao của CR-CR

bộ truyền hành tinh kia

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

1

MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài

Ngày nay, ô tô là một phương tiện vận tải được sử dụng rộng rãi trong tất

cả các hoạt động kinh tế và xã hội của mỗi quốc gia trên thế giới. Vì thế, việc

nghiên cứu nâng cao hiệu quả sử dụng của loại phương tiện này là một vấn đề

luôn được các nhà khoa học quan tâm. Để đánh giá so sánh các ô tô với nhau

người ta thường quan tâm đến tính chất động lực học của ô tô, đây là một trong

những tính chất rất quan trọng, nó được thể hiện qua các thông số lực kéo, công

suất kéo, lực cản, vận tốc, gia tốc, quãng đường và thời gian tăng tốc. Tính chất

động lực học của ô tô phụ thuộc vào nhiều thông số nhưng trước hết đó là các

thông số kết cấu của ô tô như động cơ, hệ thống truyền lực. Tính chất động lực

học của ô tô ảnh hưởng nhiều đến khả năng khởi hành, tăng tốc, vận tốc trung

bình, năng suất và giá thành vận chuyển.

Vận tốc chuyển động của ô tô là một trong các thông số quan trọng khi đánh

giá tính chất động lực học của ô tô. Khi nghiên cứu chuyển động theo phương

dọc của ô tô người ta thường xem xét tới các trường hợp tăng tốc, giảm tốc và

lên dốc với các chế độ làm việc khác nhau của động cơ.

Từ những yêu cầu đó, dưới sự hướng dẫn của thầy cô giáo tôi đã hoàn thành đề

tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện chuyển động đến vận tốc của ô tô

trang bị hộp số tự động”. Đây có thể là một tài liệu tham khảo cho việc thiết

kế ô tô và hộp số tự động. Đề tài sẽ góp phần giảm chi phí, tiết kiệm thời gian

và giảm giá thành sản phẩm do giảm được thời gian nghiên cứu thực nghiệm.

Vì vậy, đề tài có ý nghĩa thực tiễn rất lớn nhất là trong lộ trình triển khai đề án

phát triển ngành Công nghiệp ô tô Việt Nam đến năm 2025 đã được Chính phủ

phê duyệt.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

2

2. Mục đích, nội dung và phạm vi nghiên cứu của đề tài

2.1 Mục đích nghiên cứu của đề tài

Ô tô được trang bị hộp số tự động hiện nay đã trở rất phổ biến do hộp số này

có ưu điểm nổi trội là giảm nhẹ sức lao động của người lái góp phần làm tăng

tính an toàn chuyển động, đặc biệt là khi xe hoạt động trên các tuyến đường dài

và trong điều kiện đô thị thường xuyên tắc đường. Vận tốc chuyển động của ô

tô trang bị hộp số tự động phụ thuộc vào mức ga, tác động phanh và việc điều

khiển tự động chuyển số trong hộp số tương ứng với điều kiện làm việc cụ thể

của xe. Vì vậy, việc xác định vận tốc chuyển động của ô tô trang bị hộp số tự

động là một vấn đề tương đối phức tạp.

Xây dựng được một mô hình nghiên cứu cho phép xác định được vận tốc

của ô tô trang bị hộp số tự động có cấp ở các điều kiện chuyển động khác nhau

làm cơ sở cho việc nghiên cứu thiết kế hộp số tự động cho ô tô.

2.2 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện chuyển động đến vận tốc của ô tô

trang bị hộp số tự động. Do hạn chế về mặt thời gian và kinh phí nên đề tài mới

chỉ dừng lại ở việc nghiên cứu lý thuyết.

2.3 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong luận văn là nghiên cứu lý

thuyết, tính toán mô phỏng trên phần mềm Matlab

Cách thức tiến hành là tách từng cụm trong hệ thống để nghiên cứu mô

phỏng, trên cơ sở các cụm đã được xây dựng mô hình nghiên cứu ghép nối các

cụm thành hệ thống truyền lực hoàn chỉnh.

2.4 Nội dung nghiên cứu

Chương 1- Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Chương 2 - Xây dựng mô hình mô phỏng ô tô trang bị hộp số tự động

Chương 3 - Mô phỏng xác định vận tốc của ô tô trang bị hộp số tự động

Kết luận, kiến nghị

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

3

Chương 1

TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1. Giới thiệu chung về hệ thống truyền lực

1.1.1. Vai trò của hệ thống truyền lực trên ô tô

Hệ thống truyền lực (HTTL) trên ô tô đóng vai trò của bộ phận kết nối

động cơ với các bánh xe chủ động, giúp cho xe có thể chuyển động trên các

loại đường xá theo điều kiện sử dụng cụ thể.

Về bản chất, hệ thống truyền lực là hệ thống truyền công suất của động

cơ tới các bánh xe chủ động. Nếu gọi hiệu suất của HTTL là T thì mối quan

hệ giữa công suất cực đại của động cơ Nemax với lực kéo tại các bánh xe chủ

động Pk và vận tốc chuyển động của ô tô V được viết như sau:

Biểu thức trên được mô tả bằng đồ thị là một đường hyperbol trên hình

1.1. Đồ thị này thường được gọi là đặc tính kéo lý tưởng, nó thể hiện khả năng

sử dụng tối đa công suất của động cơ để đáp ứng các điều kiện chuyển động

của ô tô.

Hình 1.1. Đặc tính kéo lý tưởng của ô tô và khả năng đáp ứng của động cơ

đốt trong.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

4

Trên thực tế, phạm vi hoạt động của ô tô rất rộng, nên lực kéo tại bánh

xe và vận tốc chuyển động phải phải có khả năng thay đổi để đáp ứng các điều

kiện chuyển động cụ thể. Với đặc tính kéo như trên hình 1.1 thì vùng làm việc

khả dĩ của ô tô nằm bên dưới đường đặc tính lý tưởng và đường giới hạn khả

năng bám. Tuy nhiên, động cơ sử dụng trên ô tô hiện nay chủ yếu vẫn là động

cơ đốt trong, tồn tại dưới hai dạng là động cơ xăng và động cơ diesel. Các loại

động cơ này không đáp ứng được vùng làm việc mong muốn theo đặc tính lý

tưởng, mà nó chỉ có thể cung cấp lực kéo trong phạm vi giới hạn của đặc tính

làm việc của nó (vùng trắng trên hình 1.1). Như vậy, không thể kết nối trực tiếp

động cơ với các bánh xe chủ động của ô tô mà cần có bộ phận truyền và biến

đổi các thông số của động cơ sao cho phù hợp với điều kiện chuyển động thực

tế. Bộ phận này chính là hệ thống truyền lực của ô tô. Để làm được điều này,

hệ thống truyền lực được thiết kế như một bộ biến đổi mô men với hệ số biến

đổi được gọi là tỷ số truyền iT. Khi đó, lực kéo tại bánh xe được tính như sau:

Trong đó Me là mô men của động cơ và rk là bán kính của bánh xe.

Hiện nay, hệ thống truyền lực của ô tô biến đổi mô men theo hai cách

sau:

- Biến đổi theo cấp: hệ thồng truyền lực có số tỷ số truyền xác định, mỗi

tỷ số truyền tương ứng với một cấp số;- Biến đổi vô cấp: tỷ số truyền của hệ

thống truyền lực thay đổi một cách liên tục trong vùng biến thiên của nó (giữa

imax và imin). Đối với HTTL có cấp, mỗi tỷ số truyền tương ứng với một đường

đặc tính kéo. Chẳng hạn, trên hình 1.2 thể hiện đặc tính kéo của ô tô có trang

bị hệ thống truyền lực cơ khí 4 cấp cùng với các đường lực cản chuyển động

và đường mô tả giới hạn bám giữa bánh xe và đường. Vùng làm việc của ô tô

chính là vùng trắng trên đồ thị. Có thể nhận thấy rằng, hệ thống truyền lực có

cấp chỉ có thể tạo được vùng làm việc theo đúng đặc tính kéo lý tưởng nếu nó

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

5

có vô số cấp. Trên thực tế điều này không thể thực hiện được. Vì vậy, tùy theo

mục đích sử dụng và điều kiện làm việc của từng loại ô tô người ta lựa chọn số

cấp số của hệ thống truyền lực sao cho phù hợp.

Hình 1.2. Vùng làm việc của ô tô với hệ thống truyền lực cơ khí có 4 cấp.

- HTTL vô cấp (Continuously Variable Transmission, viết tắt là CVT)

thay đổi tỷ số truyền một cách liên tục. Nhờ đó, nó có thể cung cấp đường đặc

tính tương tự như đặc tính lý tưởng trong vùng biến thiên tỷ số truyền của nó.

Tuy nhiên, các loại truyền lực vô cấp trên ô tô hiện nay có vùng biến thiên tỷ

số truyền tương đối hẹp nên không đáp ứng được trọn vẹn mọi điều kiện chuyển

động của ô tô. Vì vậy, các bộ truyền vô cấp thường được sử dụng song hành

với bộ truyền cơ khí truyền thống. Chẳng hạn, biến mô thủy lực luôn được sử

dụng cùng với một hộp số cơ khí, còn bộ truyền đai vô cấp thì phải đi cùng với

một hộp giảm tốc bánh răng.

1.1.2. Chức năng của hệ thống truyền lực

Với vai trò là bộ phận trung chuyển công suất từ động cơ tới các bánh xe

chủ động, hệ thống truyền lực phải đảm bảo các chức năng cụ thể dưới đây:

- Giúp cho ô tô khởi hành từ trạng thái đứng yên, vì động cơ đốt trong

chỉ có thể làm việc trong một dải tốc độ nhất định. Nó không thể tăng tốc từ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

6

vận tốc bằng không. Vì vậy, hệ thống truyền lực phải có cơ cấu cho phép ô tô

khởi hành từ trạng thái tĩnh.

- Tăng mô men của động cơ để tạo được mô men (lực kéo) tại bánh xe

đủ lớn trong những trường hợp cần thiết. Động cơ đốt trong thường có mô men

xoắn không lớn, nếu được truyền trực tiếp tới bánh xe thì nó không đủ để khắc

phục điều kiện cản chuyển động khi xe khởi hành, tăng tốc hoặc chuyển động

trên đường xấu, có độ dốc lớn. Vì vậy, hệ thống truyền lực phải có chức năng

tăng mô men của động cơ. Hệ số tăng mô men chính là tỷ số truyền của hệ

thống truyền lực.

- Thay đổi tỷ số truyền để có được lực kéo và vận tốc tại bánh xe thay

đổi trong dải rộng đáp ứng mọi điều kiện hoạt động ô tô khi chuyển động trên

các loại đường khác nhau. Chức năng này khắc phục nhược điểm của động cơ

đốt trong là khả năng thích ứng rất hạn chế, nghĩa là vùng thay đổi mô men của

nó rất hẹp.

- Đảo chiều chuyển động trong hệ thống truyền lực để tạo số lùi. Động

cơ đốt trong trên ô tô chỉ quay được theo một chiều, nên muốn lùi được thì phải

có cơ cấu đảo chiều trong hệ thống truyền lực

- Ngắt dòng công suất từ động cơ xuống các bánh xe chủ động để khi

dừng xe không cần phải tắt máy. Việc khởi động động cơ đốt trong khá phức

tạp, nên người ta chỉ tắt nó khi cần thiết. Vì vậy, hệ thống truyền lực cần phải

có cơ cấu ngắt dòng công suất từ động cơ xuống các bánh xe chủ động để khi

dừng xe không cần phải tắt máy. Chức năng này có thể được thực hiện nhờ bộ

ly hợp hoặc số “0” trong hộp số.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

7

1.1.3. Các bộ phận chính trong hệ thống truyền lực

Để đảm bảo được các nhiệm vụ nêu trên, HTTL của ô tô bao gồm những

bộ phận chức năng chính như ly hợp, hộp số, truyền động các đăng và cầu chủ

động.

Ly hợp là bộ phận có nhiệm vụ ngắt và nối đường truyền công suất từ

động cơ tới HTTL và đảm bảo cho ô tô khởi hành một cách êm dịu. Hiện nay,

trên các loại ô tô sử dụng chủ yếu ly hợp ma sát cho HTTL cơ khí và ly hợp

thủy lực (hoặc biến mô thủy lực) cho hộp số thủy cơ.

Hộp số là bộ phận đảm nhiệm chức năng thay đổi tỷ số truyền trong

HTTL. Trong đại đa số trường hợp, hộp số sử dụng trên ô tô hiện nay là hộp số

kiểu bánh răng. Việc thay đổi tỷ số truyền được thực hiện bằng cách thay đổi

đường truyền qua các bộ truyền bánh răng.

Đối với HTTL vô cấp thì hộp số được thay bằng bộ biến đổi mô men

(đai, xích, con lăn, thủy lực) có tỷ số truyền thay đổi liên tục. Truyền động các

đăng đảm bảo việc kết nối trục ra của hộp số với trục vào cầu chủ động trong

trường hợp động cơ đặt xa cầu chủ động và hai trục cần liên kết không đồng

trục với nhau. Trên ô tô con dẫn động cầu trước với động cơ đặt ở phía đầu xe

thì không có truyền động các đăng do toàn bộ HTTL được bố trí trong cùng

một khối. Cầu chủ động là bộ phận cuối cùng trong hệ thống, nó truyền mô

men tới các bánh xe chủ động. Trong cầu chủ động thường có ba bộ phận:

truyền lực chính, vi sai và các bán trục. Truyền lực chính về bản chất là bộ phận

giảm tốc, có nhiệm vụ tăng tỷ số truyền cho HTTL. Bộ vi sai được đặt giữa hai

bán trục, nhờ nó mà các bán trục có thể quay với các vận tốc khác nhau khi ô

tô quay vòng hoặc chuyển động trên mặt đường gồ ghề. Các bán trục có nhiệm

vụ truyền mô men tới các bánh xe chủ động.

1.1.4. Phân loại hệ thống truyền lực

HTTL thường được phân loại theo phương pháp truyền mô men thành

các dạng sau:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

8

- HTTL cơ khí:

+ Có cấp;

+ Vô cấp;

- HTTL thủy lực:

+ Thủy động;

+ Thủy tĩnh;

- Hệ thống truyền lực thủy cơ: kết hợp truyền lực cơ khí và truyền lực

thủy lực.

- HTTL điện.

Hiện nay, trên ô tô sử dụng chủ yếu các hệ thống truyền lực bằng cơ khí

và thủy cơ kết hợp truyền lực cơ khí và truyền lực thủy động (biến mô thủy

lực). HTTL thủy tĩnh được sử dụng nhiều trên một số phương tiện tự hành máy

móc thi công, khai thác mỏ và máy nâng chuyển hàng trong các kho bãi, sân

bay, bến cảng, …

HTTL điện có thể gặp trên ô tô lai (hybrid) hoặc trên một số ô tô đặc

chủng. Theo cách thay đổi tỷ số truyền, HTTL được phân thành hai loại: HTTL

có cấp và HTTL vô cấp. Theo phương pháp điều khiển, HTTL được phân loại

như sau: HTTL điều khiển bằng tay, HTTL tự động và HTTL bán tự động.

1.2 Tổng quan về hộp số tự động

1.2.1 Lịch sử phát triển hộp số tự động

Hộp số là bộ phận quan trọng trong hệ thống truyền lực của ô tô, nó có

chức năng chính là biến đổi mô men và tốc độ của động cơ truyền tới bánh xe

chủ động sao cho phù hợp với điều kiện chuyển động. Trong lịch sử phát triển

của mình, hộp số ngày càng được hoàn thiện hơn nhằm nâng cao hiệu suất, tính

tiện lợi sử dụng và hiệu quả hoạt động của động cơ.

Bộ phận cơ bản trong các hộp số là các bánh răng đã được con người sử

dụng từ hơn 1000 năm nay để giảm nhẹ sức lao động cho con người và súc vật.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

9

Những thiết kế bánh răng đầu tiên xuất hiện từ thời trung cổ với nguồn động

lực thời bấy giờ chính là con người hoặc súc vật.

Những chiếc ô tô đầu tiên xuất hiện vào cuối thế kỷ thứ 19 với các hộp

số kiểu bánh răng, điều khiển bằng tay. Tuy nhiên, ô tô chỉ bắt đầu được sản

xuất hàng loạt vào khoảng những năm 1925 trở lại đây. Từ đó đến nay, hộp số

và hệ thống truyền lực của ô tô ngày càng được hoàn thiện hơn. Trong lịch sử

phát triển của mình, hộp số ô tô được phát triển theo những hướng chính như

sau:

- Hộp số cơ khí có cấp;

- Hộp số tự động;

- Hệ thống truyền lực vô cấp;

- Hệ thống truyền lực hybrid.

Hộp số cơ khí có cấp xuất hiện cùng với những chiếc ô tô đầu tiên và nó

cũng bắt đầu phát triển mạnh từ những năm 20 của thế kỷ trước. Những cải tiến

kỹ thuật đối với hộp số cơ khí chủ yếu nhằm vào việc cải thiện quá trình chuyển

số. Lịch sử phát triển và hoàn thiện hộp số cơ khí có thể được chia thành 4 giai

đoạn. Trong giai đoạn đầu, các hộp số được chế tạo với các bánh răng di trượt.

Để gài một số nào đó người ta trượt một bánh răng dọc trục để nó ăn khớp với

bánh răng cùng cặp. Cách gài số này thường gây nên va đập giữa các răng, tạo

tiếng ồn, khó vào số và dễ gây hỏng răng. Vì vậy, ở giai đoạn thử hai các hộp

số được thiết kế với các cặp bánh răng luôn ăn khớp, việc gài số được thực hiện

nhờ các khớp răng. Tiến bộ vượt bậc của các hộp số trong giai đoạn thứ ba là

việc sử dụng các khớp gài có đồng tốc, nhờ đó quá trình gài số được êm dịu và

dễ dàng hơn, giảm tối đa tái trọng động tác dụng lên hộp số và hệ thống truyền

lực. Giai đoạn phát triển cuối cùng đối với hộp số cơ khí được tập trung vào

việc tự động hóa quá trình chuyển số. Việc tự động hóa có thể là từng phần

hoặc toàn phần tùy theo trường hợp cụ thể.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

10

Trên thực tế, để thực hiện quá trinh chuyển số, cần phải thực hiện các

thao tác cơ bản sau: ngắt ly hợp, gài số và đóng ly hợp. Như vậy, để chuyển số

cần thực hiện 2 tác động điều khiển: điều khiển ly hợp và điều khiển cơ cấu gài

số. Việc tự động hóa quá trình chuyển số có thể chỉ bao gồm một trong hai thao

tác trên (tự động hóa một phần) hoặc tự động hóa cả hai (tự động hóa toàn

phần),

Những cố gắng đầu tiên trong việc tự động hóa một phần quá trình

chuyển số bắt đầu xuất hiện từ năm 1915. Khi đó, hãng ZF đã sản xuất hộp số

cơ khí với các cặp bánh răng luôn ăn khóp có quá trình điều khiển cơ cấu gài

số được tự động hóa. Nhờ đó, người lái chỉ phải làm động tác chọn số và tác

động lên bàn đạp ly hợp. Do có kết cấu phức tạp và quá trình chuyển số khó

khăn, nên hộp số này đã không được tiếp tục phát triển. Những năm sau đó cho

tới trước Chiến tranh Thế giới thứ hai, ZF và một số hãng khác như General

Motors và Maybach đã nghiên cứu tự động hóa một phần quá trình điểu khiển

các loại hộp số có bộ đồng tốc. Tuy nhiên, phải đến sau Chiến tranh Thế giới

thứ hai, khi ngành công nghiệp ô tô thế giới phát triển mạnh, việc hoàn thiện

các hộp số mới được quan tâm nhiều hơn. Năm 1956, Fichtel & Sachs sản xuất

ô tô con DKW (tiền thân của Audi hiện nay) có trang bị ly hợp bán tự động

Saxomat điều khiển bằng điện nhằm tự động hóa một phần quá trình chuyển

số. Khi người lái tác động lên cần điều khiển để chuyển số thì hệ thống điều

khiển tự động ngắt ly hợp và đóng nó lại sau khi quá trình sang số được hoàn

tất. Một ví dụ nữa trong quá trình hoàn thiện hộp số ô tô là hộp số bán tự động

3 cấp có biến mô thủy lực cho ô tô con của VW sản xuất (1967).

Bắt đầu từ năm 1995, các nhà sản xuất đã cho ra đời thế hệ mới các hộp

số cơ khí được tự động hóa quá trình điều khiển sử dụng trên ô tô con và ô tô

tải, ô tô chở khách loại nhỏ (dưới 3,5 tấn). Thế hệ hộp số này được chế tạo theo

hướng lấy nguyên các hộp số cơ khí có sẵn trên các ô tô đang sản xuất hàng

loạt và chế tạo thêm vào đó các bộ phận điều khiển được tự động hóa (“add-

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

11

ons”). Hướng phát triển này đã được coi là giải pháp hữu hiệu để tự động hóa

quá trình điều khiển hộp số cơ khí của ô tô và cho tới nay vẫn tiếp tục được ứng

dụng và phật triển, đặc biệt là đối với các ô tô tải.

Bản thiết kế đầu tiên của hộp số tự động có biến mô thủy lực và hộp sổ

hành tinh với các cơ cấu điều khiển là các phanh và ly hợp ma sát nhiều đĩa

được H. Rieseler thực hiện vào năm 1925. Tuy nhiện, nó mới chỉ dừng lại ở

bản vẽ thiết kể mà chưa được ứng dụng để sản xuất. Những nghiên cứu sau đỏ

đã thay các ly hợp cơ khí bằng ly hợp thủy lực và băt đâu được hiện thực hóa

thành các hộp số với 3 hoặc 4 cơ cấu hành tinh điều khiển bằng thủy lực.

Hộp số tự động đầu tiên được sản xuất hàng loạt là hộp số Hydramatic

của General Motors. Sau Chiến tranh Thế giới thứ hai, việc sản xuất hộp số tự

động của ô tô đã phát triển rất mạnh tại Mỹ (chiếm tới 85% thị trường thế giới)

[1]. Trong khi đó, ở châu Âu hộp số tự động cho ô tô con chỉ chiếm thị phần

khoảng 13%. Sau những năm 1950, hộp số tự động mới thực sự phát triển ở

châu Âu với các hàng đi tiên phong như Daimler-Benz, ZF và ngày càng phát

triển rộng rãi hom ở hầu hết các nhà sản xuất ô tô lớn. Cho tới nay, hộp số tự

động đang dần dần thay thế hộp số cơ khí thường trên các loại ô tô con và có

thể khẳng định rằng, trong tương lai không xa sẽ không còn các loại ô tô con

với hộp số cơ khí điều khiển bằng tay nữa. Sự tiến bộ của hộp sổ tự động trong

những năm qua chủ yếu nằm ở hệ thống điễu khiển. Nếu như, những hộp số tự

động đầu tiên được điều khiển chú yếu băng thủy lực thì các hộp số hiện đại

ngày nay được điều khiển bằng hệ thống điện tử nhằm tối ưu hóa thời điểm

sang so. Tiêu chí tối ưu ở đây chính là mức tiêu hao nhiên liệu thấp nhất và

lượng khí xả độc hại là nhỏ nhất. Xu hướng tăng số cấp cho hộp số tự động

cũng được các nhà sản xuất ô tô quan tâm ngày càng nhiều hơn. Đây là một

giải pháp kỹ thuật nhằm khắc phục nhược điểm cố hữu của ô tô cỏ trang bị hộp

số tự động là tiêu thụ nhiều nhiên liệu hơn so với ô tô có hộp số thường. Gần

đây nhất, năm 2013 hãng Mercedes—Benz đã cho ra đời hộp số tự động 9 cấp,

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

12

trong đó có tới 3 số truyền tăng: số 7 với tỷ số truyền là 0,87, số 8 với tỷ số

truyền là 0,72 và số 9 với tỷ số truyền là 0,60. Các số truyền tăng này làm tăng

thời gian vận hành của động cơ ở vùng tiết kiệm nhiên liệu, nhờ đó mức tiêu

thụ nhiên liệu giảm đáng kể. Tuy nhiên, hộp số này cũng được dự báo là đạt tới

giới hạn của số cấp trong hộp số tự động của ô tô con, nghĩa là việc tiếp tục

tăng số cấp cho hộp số ô tô con sẽ không còn hiệu quả nữa. Vì nếu tiếp tục tăng

số cấp thì hộp số sẽ trở nên qủá phức tạp và đắt tiền mà mức cải thiện về tiêu

thụ nhiên liệu không thể bù lại được.

Một xu hướng mới trong tự động hóa điều khỉển hộp số ô tô là các hộp

số với ly hợp kép. Loại hộp số này bắt đầu xuất hiện vào khoảng sau năm 2000

và đến nay vẫn đang là một giải pháp được các hãng sản xuất ô tô tiếp tục

nghiên cứu phát triển do có ưu thế về mức tiêu thụ nhiên liệu thấp hơn so vởi

hộp số tự động truyền thống. Hiện nay, các hộp số với ly hợp kép loại ma sát

ướt đang được sử dụng phổ biến trên các loại ô tô. Nó có khả năng truyền tải

mô men lớn hơn 300 Nm. Ly hợp kép ma sát khô thường được sử dụng trong

các trường hợp có mô men ở đầu vào nhỏ hơn (dưới 300 Nm).

Trong những năm gần đây, một dạng hệ thống truyền lực tự động mới

được sử dụng ngày càng nhiều trên ô tô, đó là truyền lực vô cấp (continuously

variable transmission, viêt tắt là CVT). Truyền lực vô cấp bằng dây đai thang

lần đầu tiên được phát triển bởi Van Doome vào năm 1950, sau đó được đưa

vào sản xuất công nghiệp năm 1958 (DAF 600). Hệ thống truyền lực này sử

dụng dây đai cao su có tiết diện hình thang với các pu li có thể thay đổi bán

kính tiếp xúc với dây đai, nhờ đó tỷ số truyền được thay đổi một cách liên tục.

Tuy nhiên, CVT không nhận được sự hưởng ứng rộng rãi của các nhà sản xuất

ô tô thế giới lúc bấy giờ, vì sự trượt của dây đai gây tổn hao công suất truyền

(hiệu suất chỉ khoảng 70 - 75%) và giảm tuổi thọ của nó. Để khắc phục hiện

tượng này người ta đã sử dụng 2 bộ truyền đai lắp song song, nhưng mô men

đầu vào vẫn bị giới hạn ở 100 Nm.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

13

Sự phát triển của truyền lực vô cấp chi thực sự bắt đầu sau khi Van

Doome sáng chế ra loại dây đai bằng thép vào đầu những năm 1970 và sau đó

là bộ truyền xích của Audi (1999). Từ đó đến nay, truyền lực vô cấp đang được

tiếp tục nghiên cứu phát triển và sử dụng ngày càng rộng rãi hơn trên các loại

ô tô con. Khả năng truyền mô men của CVT dùng dây đai hiện nay có thể lên

tới 350 Nm.

Nếu như trước Chiến tranh Thế giới thứ hai, hộp số ô tô con và ô tô tải

khác nhau chủ yếu ở kích thước, thì ngày nay vấn đề đã được thay đổi về cơ

bản. Do phạm vi hoạt động cứ của các loại ô tô tải ngày càng rộng hơn, đòi hỏi

hộp số và hệ thống truyền lực phải đáp ứng được mọi điều kiện vận hành phức

tạp hơn. Nghĩa là vùng biến thiên tỷ số truyền phải k rộng hơn và số cấp trong

hộp số cần phải nhiều hơn. Ngoài ra, vì lý do tiết kiệm nên trước chiến tranh

chỉ có các hộp số ô tô con là được trang bị bộ đồng tốc để chuyển số, còn các

ô tô tải chỉ bắt đầu được trang bị từ những năm 1950.

Ngày nay, hộp số tự động trở nên phổ biến trên ô tô con, nhưng lại không

được sự dụng nhiều trên ô tô tải vì lý do kinh tế. Trên các ô tô tải trọng lớn chỉ

có xe buýt là được trang bị hộp số tự động một cách tương đối rộng rãi do điều

kiện chuyển động trong thành phố ngày càng khó khăn hơn, đòi hỏi phải tạo

điều kiện làm việc tốt nhất cho người lái.

Như vậy, hộp số cơ khí truyền thống về bản chất là hộp giảm tốc nhiều

cấp đã được hiện đại hóa qua nhiều thế hệ và hiện nay vẫn tiếp tục được sử

dụng rộng rãi trên các loại ô tô thương mại. Ngoài ra, các bộ biến đổi mô men

vô cấp (thủy lực, cơ khí) đang được sử dụng ngày càng nhiều hơn, đặc biệt là

trên các ô tô con. Trong những trường hợp này, khái niệm hộp số không còn

tồn tại, chức năng thay đổi tỷ số truyền do một bộ biến đổi vô cấp đảm nhiệm

và nó được thay đổi một cách liên tục chứ không theo các cấp số xác định. Tất

cả các dạng truyền lực trên đây đều đang được nghiên cứu phát triển và hiện

đại hóa nhằm đạt được những mục đích cơ bản như sau:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

14

Nâng cao tính tiện nghi điều khiển; -

Tăng độ êm dịu khi chuyển số, giảm tải trọng động -

Phối hợp hoạt động hiệu quả nhất với động cơ đốt trong; -

Nâng cao hiệu suất, giảm mức tiêu hao nhiên liệu; -

Giảm ô nhiễm môi trường. -

1.2.2 Khái quát về hộp số tự động

1.2.2.1 Công dụng

Cũng như hộp số thường, công dụng của hộp số tự động là để thay đổi

lực kéo tiếp tuyến ở bánh xe chủ động cho phù hợp với lực cản tổng cộng của

đường.

Hình 1.2 Đặc tính kéo của ôtô có hộp số thường

Đặc tính kéo của ôtô có hộp số thường được thể hiện trên hình 1.2. Mỗi

tay số sẽ cho một đường đặc tính thể hiện mối quan hệ giữa lực kéo tiếp tuyến

ở bánh xe chủ động với tốc độ của xe. Trên đặc tính thể hiện cho ôtô có lắp hộp

số cơ khí ba cấp. Với đặc tính này, ngay cả khi người lái xe chọn điểm làm việc

của tay số phù hợp với lực cản chuyển động của đường thì kết quả là điểm làm

việc cũng chưa phải là tối ưu. Điểm làm việc được coi là tối ưu khi nó nằm trên

đường cong A là tiếp tuyến với tất cả các đường đặc tính của hộp số cơ khí ba

cấp, đường cong đó gọi là đường đặc tính lý tưởng. Đường cong lý tưởng có

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

15

được chỉ khi sử dụng hộp số vô cấp. Và khi đó chúng ta sẽ tránh được những

mất mát công suất so với sử dụng hộp số có cấp thể hiện trên phần diện tích

gạch chéo.

Hộp số tự động dùng trên ôtô chưa cho đường đặc tính kéo trùng với

đường đặc tính lý tưởng nhưng cũng cho ra được đường đặc tính gần trùng với

đường đặc tính lý tưởng. Với hộp số tự động việc gài các số truyền được thực

hiện một cách tự động tuỳ thuộc vào chế độ của động cơ và sức cản của mặt

đường. Vì vậy, nó luôn tìm được một điểm làm việc trên đường đặc tính phù

hợp với sức cản chuyển động bảo đảm được chất lượng động lực học và tính

kinh tế nhiên liệu của ôtô.

1.2.2.2 Yêu cầu

Hộp số tự động đảm bảo các yêu cầu sau:

- Thao tác điều khiển hộp số đơn giản, nhẹ nhàng.

- Đảm bảo chất lượng động lực kéo cao.

- Hiệu suất truyền động phải tương đối lớn.

- Độ tin cậy lớn, ít hư hỏng, tuổi thọ cao.

- Kết cấu phải gọn, trọng lượng nhỏ.

1.2.2.3 Phân loại

Dựa vào đặc điểm hộp số tự động được chia làm hai loại:

+ Loại hộp số sử dụng trên ô tô FF (động cơ đặt trước, cầu trước chủ

động).

+ Loại hộp số sử dụng trên ô tô FR (động cơ đặt trước, cầu sau chủ động).

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

16

a) b)

Hình 1.3 Hộp số tự động kiểu FF (a) và FR

Các hộp số sử dụng trên ôtô FF được thiết kế gọn nhẹ hơn so với loại sử

dụng trên ôtô FR do chúng được lắp đặt cùng một khối với động cơ.

Các hộp số sử dụng cho ôtô FR có bộ truyền động bánh răng cuối cùng

với vi sai lắp ở bên ngoài. Còn các hộp số sử dụng trên ôtô FF có bộ truyền

bánh răng cuối cùng với vi sai lắp ở bên trong, vì vậy loại hộp số tự động sử

dụng trên ôtô FF còn gọi là "hộp số có vi sai".

- Phân loại dựa vào cách điều khiển hộp số tự động người ta phân chia

thành hai loại:

+ Hộp số tự động điều khiển hoàn toàn bằng thuỷ lực (AT)

+ Hộp số tự động điều khiển điện tử - thuỷ lực (ECT)

Hộp số tự động điều khiển thuỷ lực được điều khiển thông qua các van

thuỷ lực để chuyển số. Nhược điểm của hộp số này là không tự động chuyển

số mà chỉ tự động chuyển số trong mỗi dải làm việc tương ứng với tay số trên

cần điều khiển. Kết cấu của hệ thống điều khiển thuỷ lực khá cồng kềnh và

phức tạp. Loại điều khiển điện tử là việc chuyển số được máy tính trung tâm

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

17

dựa vào các tín hiệu từ các cảm biến để tính toán và đưa ra kết quả tối ưu để

điều khiển chuyển số và khoá biến mô men. Loại này còn bao gồm cả chức

năng chẩn đoán và dự phòng ngoài chức năng điều khiển số và khoá biến mô

men.

1.2.2.4. Ưu nhược điểm của hộp số tự động

a. Ưu điểm

So với hộp số cơ khí thông thường thì hộp số tự động có những tính

năng vượt trội sau đây:

- Chuyển số liên tục không cần cắt dòng lực từ động cơ, làm giảm mệt

mỏi cho lái xe bằng cách loại bỏ các thao tác cắt ly hợp và thường xuyên phải

chuyển số.

- Nó chuyển số một cách tự động và êm dịu tại các tốc độ thích hợp với

chế độ lái xe do vậy giảm bớt cho lái xe sự cần thiết phải thành thành thạo các

kỹ thuật lái xe khó khăn và phức tạp như vận hành ly hợp .

- Nó tránh cho động cơ và dòng dẫn động khỏi bị quá tải, do nó nối chúng

bằng thuỷ lực (qua biến mô) tốt hơn so với nối bằng cơ khí.

- Biến mô men truyền dòng động lực thông qua động năng của dòng dầu

thuỷ lực nên truyền động êm dịu, không gây tải trọng động. Ngoài ra, cơ cấu

hành tinh cùng với các kết cấu li hợp khoá, phanh dải được điều khiển tự động

cũng làm cho việc chuyển số nhẹ nhàng, liên tục.

- Tuổi thọ của các chi tiết trong hộp số tự động cao hơn do các chi tiết

thường xuyên được ngâm trong dầu, do đó việc bôi trơn và làm mát các chi tiết

là rất tốt. Việc truyền động giữa các chi tiết là êm dịu, không gây tải trọng động

và lực truyền đồng thời qua một số cặp bánh răng ăn khớp nên ứng suất trên

răng nhỏ. Cơ cấu hành tinh ăn khớp trong nên đường kính vòng tròn ăn khớp

lớn. Các bánh răng hành tinh bố trí đối xứng nên triệt tiêu được lực hướng trục.

Giảm độ ồn khi làm việc.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

18

- Hiệu suất làm việc cao, vì các dòng năng lượng có thể là song song,

ma sát sinh ra tiêu hao năng lượng chủ yếu là do chuyển động tương đối còn

không chịu ảnh hưởng của chuyển động theo.

- Cho tỉ số truyền cao nhưng kích thước lại không lớn.

Với kết cấu của cơ cấu hành tinh là bánh răng mặt trời và bánh răng hành

tinh nằm gọn bên trong Bánh răng bao nên kích thước của bộ truyền hành tinh

là rất nhỏ gọn với 1 tỉ số truyền khá lớn. Bên cạnh đó, biến mô men thuỷ lực

còn có thể làm cho mô men từ động cơ tăng lên đến 2,5 lần.

Ngoài ra, việc bố trí hộp số tự động trên xe ô tô còn làm cho việc điều

khiển xe dễ dàng và thuận tiện. Do không bố trí li hợp và việc chuyển số hoàn

toàn tự động cho nên người lái xe bớt được rất nhiều thao tác mỗi khi phải

chuyển số. Nhất là khi khởi hành và lái xe ở trong thành phố…

b. Nhược điểm

Bên cạnh những ưu điểm mà hộp số tự động mang lại như đã nêu ở trên

không thể không kể đến những nhược điểm của nó:

- Giá thành của hộp số tự động cao. Công nghệ chế tạo đòi hỏi chính xác

cao: trục lồng, bánh răng ăn khớp nhiều vị trí.

- Tốn nhiều nhiên liệu hơn hộp số cơ khí

Kết cấu phức tạp, nhiều cụm lồng, trục lồng, phanh dải, li hợp khoá, các

khớp một chiều, … Do đó việc tháo lắp và sửa chữa sẽ rất khó khăn và phức

tạp.

Lực li tâm sinh ra trên các bánh răng hành tinh lớn do tốc độ góc lớn.

Nếu dùng nhiều li hợp và phanh có thể làm tăng tổn hao công suất khi

chuyển số, hiệu suất sẽ giảm.

Các nhược điểm này sẽ dần dần được khắc phục khi lựa chọn tối ưu sơ

đồ cơ cấu và công nghệ chế tạo máy phát triển.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

19

1.2.3 Các bộ phận chính trong hộp số tự động

Hộp số tự động được cấu tạo bởi 3 bộ phận chính: biến mô men thủy lực,

hộp số cơ khí và hệ thống điều khiển như trên hình 1.4.

Hình 1.4 Cấu tạo chung của hộp số tự động

1.2.3.1 Bộ biến mô men thuỷ lực

Hình 1.5 Biến mô thủy lực

Biến mô thuỷ lực được lắp ở đầu vào của chuỗi bánh răng truyền động

hộp số và được bắt bằng bulông vào trục sau cuả trục khuỷu thông qua tấm

truyền động. Bộ biến mô được đổ đầy bằng dầu hộp số tự động, nó làm tăng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

20

mômen do động cơ tạo ra và truyền mômen này đến hộp số hoặc đóng vai trò

như một khớp nối thuỷ lực truyền mômen đến hộp số.

Trên xe có lắp hộp số tự động, bộ biến mô cũng có tác dụng như bánh đà

của động cơ. Do không cần có một bánh đà nặng như vậy trên xe có hộp số

thường, nên xe có hộp số tự động sử dụng tấm truyền động có vành bên ngoài

dạng vành răng dùng cho việc khởi động động cơ bằng bằng mô tơ khởi động.

Khi tấm dẫn động quay với tốc độ cao cùng với biến mô thuỷ lực, trọng lượng

của nó sẽ tạo nên sự cân bằng tốt nhằm ngăn chặn sự rung động khi quay với

tốc độ cao.

Các chức năng của bộ biến mô:

- Tăng mômen do động cơ tạo ra.

- Đóng vai trò như một ly hợp thuỷ lực để truyền hay không truyền mômen

động cơ đến hộp số.

- Hấp thụ các dao động xoắn của động cơ và hệ thống truyền lực.

- Có tác dụng như một bánh đà để làm đều chuyển động quay của động

cơ.

- Dẫn động bơm dầu của hệ thống điều khiển thuỷ lực.

1.2.3.2 Hộp số cơ khí

Hộp số cơ khí về bản chất là hộp giảm tốc cơ khí nhiều cấp, các bộ phận

cơ bản của nó gồm cơ cấu giảm tốc bánh răng và cơ cấu điều khiển sang số.

Tùy theo dạng cơ cấu giảm tốc mà người ta phân biệt 2 loại hộp số gồm hộp số

có trục cố định và hộp số hành tinh.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

21

a) b)

Hình 1.6 Hộp số cơ khí

Cơ cấu giảm tốc trục cố định là bộ truyền bánh răng với các trục cố định

trong không gian. Trên hình 1.6 a minh họa một cặp bánh răng z1, z2 với đường

truyền công suất theo chiều mũi tên như hình vẽ 1.6a thì bánh răng z1 là chủ

động còn bánh răng z2 là bánh răng bị động. Tỷ số truyền được tính như sau

Cơ cấu hành tinh là bộ truyền bánh răng có ít nhất một trục quay trong

không gian. Trên hình 1.6b mô tả dạng cơ cấu hành tinh 3 khâu đơn giản. Nó

bao gồm bánh răng trung tâm (còn gọi là bánh răng mặt trời), các bánh răng

hành tinh và bánh răng bao. Các bánh răng hành tinh được liên kết với nhau bởi

khung cứng gọi là giá hay cần dẫn.

Cơ cấu hành tinh có hai bậc tự do nên để truyền công suất qua nó cần

hạn chế bớt một bậc tự do. Chẳng hạn ở trạng thái trên sơ đồ 1.6b bánh răng

bao được gắn cố định với vỏ, công suất được truyền vào bánh răng mặt trời và

lấy ra ở cần dẫn. Khi bánh răng mặt trời quay sẽ làm cho bánh răng hành tinh

quay theo. Các bánh răng này vừa quay quanh trục của nó vừa lăn trên bánh

răng mặt trời làm cho giá đỡ quay cùng chiều với bánh răng mặt trời theo chiều

mũi tên. Tỷ số truyền của cơ cấu hành tinh trong trường hợp này được tính theo

công thức:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

22

Một cơ cấu hành tinh 3 khâu như mô tả trên hình 1.6b có thể tạo được

các đường truyền công suất khác nhau bằng cách phanh hay dừng một trong

các khâu (hình 1.7). Chẳng hạn ngoài cách cố định bánh răng bao người ta có

thể phanh dừng cần dẫn. Khi đó công suất được truyền từ bánh răng mặt trời

và lấy ra ở bánh răng bao. Cách làm này thông thường dùng để tạo số lùi, vì

trong trường hợp này bánh răng bao quay ngược chiều với bánh răng mặt trời.

Nếu nối cứng hai khâu bất kỳ của cơ cấu hành tinh với nhau thì toàn bộ cơ cấu

bị khóa cứng tạo nên số truyền thẳng (i=1).

Hình 1.7 Các chế độ làm việc của cơ cấu hành tinh

a) Hộp số cơ khí loại trục cố định b) Hộp số cơ khí loại hành tinh

Hình 1.8 Sơ đồ cấu tạo của hộp số tự động 5 cấp

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

23

Ưu điểm của hộp số loại trục cố định là dễ dàng tạo được các tỉ số truyền

theo ý muốn. Hơn nữa, trong hộp số các chi tiết của các bộ ly hợp gài số có thể

được chế tạo đồng bộ, thuận tiện cho việc sản xuất và hạ giá thành sản phẩm.

Ưu điểm của hộp số hành tinh đó là: Thứ nhất, các cơ cấu hành tinh có

thể tạo được nhiều đường truyền công suất khác nhau nên từ một cơ cấu hành

tinh đơn giản có thể tạo được nhiều phương án truyền công suất; thứ hai, các

cơ cấu hành tinh có kết cấu nhỏ gọn nhưng có thể cho tỷ số truyền lớn. Khi sử

dụng tổ hợp nhiều cơ cấu hành tinh có thể giúp hộp số có kết cấu nhỏ gọn nhưng

có nhiều tỷ số truyền; thứ ba, giảm được tải trọng tác dụng lên các răng do

đường truyền công suất được thực hiện qua nhiều bánh răng hành tinh.

Ngày nay, hộp số tự động sử dụng bộ giảm tốc cơ khí kiểu hành tinh

được sử dụng ngày càng rộng rãi.

1.2.3.3. Hệ thống điều khiển hộp số tự động

Hình 1.9 Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý của hệ thống điều khiển

Hệ thống điều khiển hộp số tự động nhằm mục đích chuyển hoá tín hiệu

mức tải động cơ và tốc độ ôtô thành tín hiệu thuỷ lực trên cơ sở đó hệ thống

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

24

điều khiển thuỷ lực sẽ thực hiện việc đóng mở các ly hợp và phanh của bộ

truyền hành tinh để tự động thay đổi tỉ số truyền của hộp số phù hợp với các

chế độ hoạt động của ôtô. Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý của hệ thống điều khiển

được mô tả trên hình 1.9.

Hệ thống điều khiển hộp số tự động bao gồm hệ thống điều khiển thuỷ

lực trong đó gồm có cácte dầu, bơm dầu để tạo ra áp suất thuỷ lực, các loại van

có chức năng khác nhau, các khoang và ống dẫn dầu để đưa dầu đến các ly hợp

và phanh trong bộ truyền hành tinh. Hầu hết các van trong hệ thống điều khiển

thuỷ lực được bố trí chung trong bộ thân van nằm bên dưới bộ truyền hành tinh

(Hydraulic Control Unit). Đây được coi là bộ phận chấp hành của hệ thống điều

khiển. Để điều khiển bộ phận chấp hành hoạt động hệ điều khiển hộp số tự

động cần có hai tín hiệu được coi là tín hiệu gốc, đó là:

- Tín hiệu mức tải động cơ: theo độ mở của bướm ga tín hiệu mức tải của

động cơ tạo ra áp suất thuỷ lực (còn gọi là áp suất bướm ga) đưa đến bộ điều

khiển thuỷ lực;

- Tín hiệu tốc độ của ôtô: tín hiệu này được lấy từ van ly tâm được dẫn

động từ trục thứ cấp của hộp số. Tuỳ theo tốc độ của ôtô van ly tâm tạo ra áp

suất thuỷ lực (còn gọi là áp suất ly tâm) cũng được đưa đến bộ điều khiển thuỷ

lực.

Áp suất ly tâm và áp suất bướm ga làm cho các van chuyển số trong bộ

điều khiển thuỷ lực hoạt động. Độ lớn của các áp suất này điều khiển độ dịch

chuyển của các van và từ đó chúng điều khiển được áp suất thuỷ lực dẫn tới các

ly hợp và phanh trong bộ truyền hành tinh để thực hiện chuyển số trong hộp số.

Với hai tín hiệu gốc trên hộp số tự động có thể hoàn toàn tự động chọn

tỉ số truyền của hộp số cho phù hợp với điều kiện sử dụng một cách tối ưu. Tuy

nhiên nếu sức cản của mặt đường liên tục thay đổi đột ngột trong một phạm vi

hẹp khi đó hệ điều khiển sẽ làm việc liên tục để thay đổi tỉ số truyền của hộp

số điều đó không cần thiết và không có lợi. Vì vậy, sự hoạt động của các van

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

25

trong hệ điều khiển thuỷ lực còn phụ thuộc vào sự liên kết điều khiển bằng tay.

Liên kết này bao gồm cần và cáp chọn số. Mục đích của liên kết điều khiển

bằng tay là để hộp số tự động thay đổi tỉ số truyền trong một dải hẹp phụ thuộc

vào mức đặt của cần chuyển số.

Cần chọn chế độ được đặt ở vị trí tương ứng với cần chuyển số ở hộp số

thường. Nó được nối với hộp số thông qua cáp hay thanh nối. Tuỳ theo điều

kiện đường xá, lái xe có thể chọn chế độ: bình thường, tiến hay lùi, số trung

gian hay đỗ xe bằng cách đặt cần chọn chế độ tương ứng với các vị trí này.

Thông thường có các chế độ sau:

"D" (Drive): chế độ bình thường

"2" (Second): dải tốc độ thứ hai

"L" (Low): dải tốc độ thấp

"N" (Neutral): vị trí trung gian (số 0)

"P" (Park): đỗ xe

Sơ đồ cấu tạo của liên kết điều khiển bằng tay được thể hiện trên hình 1.10.

Hình 1.10 Sơ đồ cấu tạo của liên kết điều khiển bằng tay

1.3 Các nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến hộp số tự động

1.3.1 Các nghiên cứu trong nước

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

26

Trong nước đã có một số công trình nghiên cứu liên quan đến hộp số tự

động trên ô tô. Trong tài luận văn thạc sĩ với đề tài “Nghiên cứu động học và

động lực học hộp số tự động, mô phỏng hoạt động của hộp số”, tác giả Chu

Thành Khải [2] đã trình bày được những vấn đề động học, động lực học cơ bản

về hộp số tự động từ tổng quát đến một hộp số cụ thể. Cơ bản đề tài đã trình

bày được cách xác định tỉ số truyền và ảnh hưởng mômen hãm cơ bản của bộ

truyền bánh răng hành tinh. Dựa vào những vấn đề động học, động lực học đã

trình bày, đề tài đã áp dụng vào hộp số tự động A140L, từ đó tính toán tỉ số

truyền các tay số khi xe hoạt động, đồng thời mô phỏng sự hoạt động của nó

khi hoạt động bình thường và tình huống khi gặp sự cố, cụ thể là sinh ra mômen

trượt giữa các phần tử khi bị khóa lại khi lực ép dầu thủy lực vào cơ cấu phanh

và ly hợp bị giảm.

Trong luận văn thạc sĩ [3] nghiên cứu thiết kế cơ cấu dẫn động vạn năng

điều khiển hộp số cơ khí thông qua bộ truyền vi sai bánh răng của Nguyễn Văn

Cung (trường đại học Đà Nẵng) nghiên cứu thiết kế cơ cấu dẫn động vạn năng

nhờ sử dụng năng lượng của các trục quay tạo ra cơ năng điều khiển hộp số

bằng các tín hiệu điện từ nhờ các nút bấm hay cần gạt bố trí trên bảng điều

khiển, nhằm làm đơn giản và giảm nhẹ quá trình điều khiển hộp số cơ khí.

Trong tài liệu [5] xây dựng mô hình và mô phỏng động lực học hệ thống

truyền lực cơ khí. Trên cơ sở mô hình đã xây dựng, tác giả xây dựng thuật toán

điều khiển cho hệ thống truyền lực cơ khí tự động AMT nhằm nâng cao độ êm

dịu của ô tô khi khởi hành và chuyển số.

Trong luận văn “Nghiên cứu xây dựng đặc tính động lực học của quá

trình chuyển số của ô tô có hộp số tự động AT” tác giả Nguyễn Lương Huy [7]

đã đưa ra một phương pháp xây dựng đường đặc tính động lực học của quá

trình sang số của ô tô có hộp số tự động bằng phần mềm Matlab- Simulink và

đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm quá trình sang số của Toyota Crown.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

27

Ngoài ra, trong nước còn có các công trình khác nghiên cứu như xây dựng

mô hình và mô phỏng động lực học cho hệ thống truyền lực CVT và DCT của

nhóm tác giả Tạ Thị Thanh Huyền, Trần Văn Như [6,8] và nhóm tác giả

Nguyễn Trọng Hoan, Nguyễn Khắc Tuân [9,10].

1.3.2 Các nghiên cứu ngoài nước

Ở nước ngoài, việc nghiên cứu về ô tô trang bị hộp số tự động được thực

hiện từ nhiều năm nay. Phân tích các công trình đã công bố cho thấy, các nghiên

cứu chủ yếu tập trung vào việc nghiên cứu tối ưu hóa quá trình điều khiển hệ

thống truyền lực tự động [10-17]. Một số công trình đề cập đến tính kinh tế

nhiên liệu [18] hoặc đặc tính động lực học của ô tô trang bị hộp số tự động

trong quá trình chuyển số [19].

Như vậy, cho đến nay việc nghiên cứu sự thay đổi của vận tốc chuyển động

ô tô trang bị hộp số tự động ở các điều kiện làm việc khác nhau vẫn là vấn đề

bỏ ngỏ. Chính vì vậy đề tài “Nghiên cứu xác định vận tốc của ô tô trang bị hộp

số tự động trong một số điều kiện chuyển động đặc trưng” là cần thiết trong

tình hình hiện nay.

1.4. Kết luận chương 1

Trong chương 1 tác giả đã nghiên cứu tổng quan về hệ thống truyền lực

và hộp số tự động trên ô tô, phân tích các công trình đã công bố liên quan đến

nội dung của đề tài. Đây là cơ sở quan trọng cho các nội dung nghiên cứu mô

phỏng và xác định vận tốc chuyển động của ô tô trang bị hộp số tự động trong

các chương tiếp theo của luận văn.

Chương 2 - XÂY DỰNG MÔ HÌNH NGHIÊN CứU

2.1. Phương pháp nghiên cứu thông qua mô phỏng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

28

Để nghiên cứu động học và động lực học ô tô nói chung người ta có thể

sử dụng 2 phương pháp chính [10]:

- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm trên xe thực

- Phương pháp mô phỏng

Đối với phương pháp nghiên cứu thực nghiệm ta có thể tiến hành nghiên

cứu trong phòng thí nghiệm hoặc trên đường. Ưu điểm của phương pháp này

là đảm bảo tính chính xác cao do việc lựa chọn điều kiện thí nghiệm đúng với

thực tế khai thác cần nghiên cứu, tuy nhiên phương pháp này có nhược điểm

lớn là chi phí nghiên cứu cao do phải tiến hành trên xe thực và thời gian nghiên

cứu kéo dài.

Ngày nay, nhờ sự trợ giúp của các phần mềm mô phỏng mạnh việc

nghiên cứu động lực học của các cơ hệ thường được sử dụng thông qua phương

pháp mô phỏng. So với phương pháp nghiên cứu thực nghiệm phương pháp

này có ưu điểm là giảm được chi phí nghiên cứu do không phải tiến hành trên

mô hình thực, đồng thời phương pháp này cũng cho phép nghiên cứu một cách

chi tiết ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau đến đối tượng nghiên cứu một cách

nhanh chóng.

Để mô phỏng ô tô có thể sử dụng một trong hai phương pháp:

- Mô phỏng thông qua thiết lập hệ phương trình vi phân liên kết giữa các

vật trong hệ;

- Mô phỏng thông qua mô tả các vật và liên kết.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

29

a) b)

Hình 2.1 Sơ đồ các phương pháp mô phỏng

a. Mô phỏng thông qua xây dựng hệ phương trình vi phân

b. Mô phỏng thông qua mô tả vật và liên kết

2.1.1.Phương pháp mô phỏng thông qua thiết lập hệ phương trình vi phân

liên kết giữa các vật trong hệ

Đây là cách thức truyền thống đã được sử dụng trong nhiều năm qua, khi

mô phỏng theo phương pháp này trước tiên ta phải phân tích mô hình thành cơ

hệ nhiều vật và xây dựng các hệ phương trình vi phân cân bằng cho từng vật.

Phương pháp này tuy mất nhiều thời gian hơn nhưng lại giúp chúng ta kiểm

soát mô hình một cách cụ thể rõ ràng hơn. Trình tự của phương pháp này thực

hiện như sau:

+ Xây dựng mô hình tính toán: Để xây dựng được mô hình tính toán

trước tiên cần xây dựng mô hình cơ học từ hệ thống thực, xây dựng mô hình

động lực học và đơn giản hóa mô hình này để nhận được mô hình tính toán.

+ Xây dựng mô hình toán học: Mô hình toán học là hệ các phương trình

toán học biểu diễn hoạt động của hệ thống theo mô hình tính toán. Mô hình

toán học có thể nhận được bằng nhiều phương pháp khác nhau [1] như phương

pháp Newton, Lagrange II, D’alambe, nguyên lý Jodan...

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

30

+ Giải mô hình toán học bằng phần mềm chuyên dùng: Khi có được

mô hình tính toán ta có thể nghiên cứu dao động của hệ bằng các phần mềm

chuyên dụng. Khảo sát dao động của hệ trên miền thời gian và miền tần số xác

định các thông số “ra”, khi thay đổi các thông số “vào” và các thông số kết cấu.

Các phần mềm chuyên dùng để giải quyết các mô hình toán có thể kể tới như:

MatrixX (từ các hệ tích hợp), EASY5 (của hãng Boeing) và Matlab với công

cụ Simulink (của Mathworks. Inc). Các phần mềm này đều có các khả năng

tương đương, tùy thuộc vào mục tiêu bài toán mà ta lựa chọn phần mềm phù

hợp.

+ Phân tích kết quả:

Đây là bước cuối cùng của việc mô phỏng, dựa trên việc phân tích kết

quả sẽ cung cấp thêm các thông tin để giải quyết mục tiêu ban đầu mà bài toán

đặt ra.

2.1.2. Phương pháp mô phỏng thông qua mô tả các vật và liên kết

Mô phỏng thông qua mô tả các vật và liên kết là một cách thức mô phỏng

thông qua các vật chuẩn và các liên kết chuẩn có sẵn trong một số phần mềm

chuyên dụng. Để thực hiện cách này, sau khi nghiên cứu hệ thống sẽ chia hệ

thống thành các vật và các liên kết giữa chúng mà không cần quan tâm đến việc

thiết lập các hệ phương trình. Hiện nay có các phần mềm chuyên dụng để mô

phỏng dạng này như Alaska, Adam, Modelica, Universal, Carsim. Một số phần

mềm tích hợp các modul mô phỏng chuyên dụng cho: hệ thống treo, hệ thống

truyền lực như Simdriveline, Simmachanic, Maplesim...Trên các hình minh

họa một số phần mềm mô phỏng kiểu này.

Ưu điểm của phương pháp mô phỏng thông qua mô tả vật và liên kết là

không mất thời gian để thiết lập hệ phương trình cân bằng cho các vật của cơ

hệ nhờ sử dụng các modul chuẩn có sẵn trong các phần mềm. Do đó, thời gian

thiết lập mô hình và lập trình trên máy tính sẽ được rút ngắn.

Tuy nhiên, cách thức mô phỏng theo phương pháp này có một số nhược

điểm. Nhược điểm thứ nhất đó là các phần mềm chuyên dụng dạng này mặc dù

đã xuất hiện ở thị trường Việt Nam nhưng chi phí cho việc mua các phần mềm

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

31

này còn quá cao và hiện tại chỉ là các bản demo nên độ tin cậy thấp. Nhược

điểm thứ hai là khó nghiên cứu rõ bản chất của các quá trình diễn ra trong các

modul chuẩn và chưa thể can thiệp vào chúng, vì thế sẽ hạn chế khả năng nghiên

cứu mở rộng cũng như việc kiểm soát quá trình tính toán và kết quả chưa rõ

ràng.

a) Mô hình biến mô men thủy lực Maple Sim

b) Mô hình ly hợp Maple sim

Hình 2.2 Mô hình mô phỏng ô tô trang bị hộp số tự động bằng phần mềm

Maple Sim

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

32

Hình 2.3 Mô hình các phần tử hệ thống truyền lực với phần mềm Modelica

Hình 2.4 Mô hình mô phỏng ô tô với hộp số tự động bằng phần mềm

Modelica

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

33

Hình 2.5 Mô hình mô phỏng ô tô với hộp số tự động bằng công cụ

Simdriveline Mechanic trong phần mềm Matlab [21]

Hình 2.6 Mô phỏng ô tô bằng phần mềm Carsim

Ngày nay, một số phần mềm như Matlab-Simulink cho phép ta sử dụng

kết hợp cả hai phương pháp trên bằng cách sử dụng các khối thư viện phần tử

có sẵn trong các modul như Simscape kết hợp với các khối do người dùng tự

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

34

xây dựng bằng công cụ Simulink vì vậy cho phép việc nghiên cứu mô phỏng

các hệ thống ô tô một cách linh hoạt hiệu quả.

2.2. Xây dựng mô hình nghiên cứu

Để xây dựng mô hình mô phỏng xác định vận tốc của ô tô trang bị hộp

số tự động bằng phần mềm Matlab Simulink tác giả thực hiện xây dựng mô

hình con của các cụm chi tiết độc lập gồm: động cơ, biến mô, hộp số, bánh xe,

thân xe; trên cơ sở xây dựng mô hình của từng hệ thống con sẽ xây dựng được

mô hình của toàn bộ hệ thống. Trong luận văn này tác giả thực hiện mô phỏng

xác định vận tốc của ô tô trang bị hộp số tự động 4 cấp với 2 dãy hành tinh.

2.2.1. Mô hình động cơ

Khi làm việc trong động cơ xuất hiện lực khí thể do khí cháy sinh ra và

các lực quán tính của các khối lượng chuyển động tịnh tiến và các khối lượng

chuyển động quay [10]. Các lực này đóng vai trò là lực kích thích hệ trục khuỷu

và HTTL. Lực khí thể và lực quán tính của động cơ là những lực có trị số lớn

và thay đổi chu kỳ nên chúng mang tính chất va đập. Momen của các lực này

được gọi là momen kích thích chúng tác động lên HTTL và ảnh hưởng trực tiếp

tới độ bền lâu của các chi tiết trong HTTL. Để phỏng mô men và công suất của

động cơ có thể sử dụng nhiều phương pháp khác nhau như phương pháp phân

tích điều hòa, phương pháp sử dụng công thức thực nghiệm... Trong luận văn

này, để mô phỏng động cơ tác giả sử dụng mô hình động cơ Generic Engine

(hình 2.7), mô hình này cho phép xác định quan hệ phụ thuộc của tốc độ, mô

men xoắn, công suất động cơ vào độ mở của bướm ga (Th).

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

35

Hình 2.7 Mô hình động cơ đốt trong

Hình 2.8 Kết quả mô phỏng công suất động cơ phụ thuộc

vào độ mở bướm ga

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

36

2.2.2. Mô hình bộ biến mô thủy lực

2.2.2.1. Cấu tạo biến mô thủy lực

Hình 2.9 Biến mô thủy lực

Biến mô thủy lực được cấu tạo gồm: bánh bơm B, tuabin T và thêm vào

đó là bánh phản ứng D [9,10,22,25]. Việc truyền mô men xoán cũng giống như

ly hợp thủy lực được thực hiện bằng việc sử dụng động năng của chất lỏng tuần

hoàn trong các bánh công tác của biến mô thủy lực hay ly hợp thủy lực. Theo

sơ đồ cấu tạo trên hình 2.9

Bánh bơm ly tâm B được dẫn động quay từ trục khuỷu động cơ I; bánh

tuabin T nối với bánh xe chủ động của ô tô qua hệ thống dẫn động cơ khí II và

bánh phản ứng D nối với moay ơ cố định 1 nhờ khớp nối một chiều 2

Hình 2.10 Sự làm việc của biến mô thủy lực [10].

Tất cả ba bánh công tác của bộ biến mô thủy lực tạo thành buồng kín, gọi

là vòng tuần hoàn; trên vòng tuần hoàn này có sự chuyển động liên tục của

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

37

dòng chất lỏng từ bánh bơm qua bánh tuabin, từ bánh tuabin qua bánh phản

ứng và từ bánh phản ứng ngược trở lại bánh bơm khi bánh bơm đã quay. Dòng

chất lỏng chảy từ bánh bơm đập vào các cánh của bánh tuabin, do đó bánh

tuabin quay quanh trục của nó và làm trục II quay.

Do có mô men xoắn MD của bánh xe phản ứng mà có sự biến đổi mô

men xoắn từ trục bánh bơm tới trục bánh tuabin. Mô men xoắn hình thành là

do các cánh của bộ phận phản ứng cố định làm thay đổi hướng của dòng chất

lỏng chảy từ bánh tuabin quay trở lại bánh bơm. Nếu bánh xe phản ứng có khả

năng quay tự do trong dòng chất lỏng thì việc biến đổi mô men sẽ không xẩy

ra và biến mô thủy lực trở thành ly hợp thủy lực khi đó còn gây cản trở cho việc

truyền động, dẫn đến hiệu suất của bộ truyền giảm. Hệ thống truyền động thủy

lực có nhiều ưu điểm, nhưng hiệu suất thấp so với các xe có truyền động cơ

khí. để khắc phục nhược điểm đó, trong bộ biến mô người ta lắp thêm ly hợp

ma sát để nâng cao hiệu suất của nó mà vẫn đảm bảo sự làm việc êm dịu khi

thay đổi tải hay thay đổi điều kiện làm việc của xe. Sự bố trí đó được tính toán

hợp lý, để khi xe hoạt động đạt đến một tỷ số truyền (iT.B) thích hợp, thì lúc đó

ly hợp ma sát làm việc, nối cứng giữa bánh bơm (bánh chủ động) và bánh tuabin

(bánh bị động) thành một khối, tạo thành sự truyền động thẳng. Bởi thế không

còn xẩy ra hiện tượng trượt trong truyền động thủy lực [9].

Mặt khác hệ thống truyền lực dùng biến mô thủy lực đã làm thay đổi

mô men được cải thiện hơn so với ly hợp thủy lực. Nhưng hệ số biến mô còn

rất bé, để cải thiện hơn người ta ghép thêm hộp số cơ vào trước hoặc sau biến

mô hay ly hợp thủy lực, có thể là hộp số thông thường hoặc cơ cấu hành tinh

vi sai. Như vậy nó đảm bảo việc mở rộng mô men truyền, đáp ứng được khả

năng làm việc của các loại ô tô, máy kéo khác nhau.

2.2.2.2 Các thông số cơ bản của biến mô thuỷ lực

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

38

Các thông số cơ bản của biến mô thủy lực bao gồm: mô men trên các

trục, hệ số biến mô, tỷ số truyền, hệ số trượt và hiệu suất của biến mô [10].

Mô men trên trục bánh bơm được xác định theo công thức:

(2.1)

Trong đó: B là hệ số mô men trên bánh bơm; ρ là khối lượng riêng của

chất lỏng công tác (đối với dầu thủy lực  = 850 870 / kgm3 ); Da là

đường kính hiệu dụng của bánh công tác.

Hệ số mô men trên bánh bơm B phụ thuộc vào kết cấu của bánh công

tác. Nếu B =const thì biến mô được gọi là biến mô nhạy, còn nếu B thay đổi

theo tải trọng thì biến mô được coi là không nhạy.

Tỷ số truyền động lực thể hiện quan hệ giữa mô men trên bánh tua bin

và mô men trên bánh bơm (thường được gọi là hệ số biến mô):

(2.2)

Mô men trên trục bánh tua bin có thể được tính từ mô men trên trục bơm và

hệ số biến mô:

(2.3)

Tỷ số truyền động học của biến mô thể hiện quan hệ giữa vận tốc của

bánh tua bin và bánh bơm (thường được gọi tắt là tỷ số truyền):

(2.4)

Hệ số trượt của biến mô thể hiện mức độ chênh lệch giữa vận tốc quay của bơm

và tuabin. Khi biến mô phải chịu tải, vận tốc của tua bin luôn thấp hơn vận tốc

của bơm và thậm chí có thể bằng 0 (biến mô trượt hoàn toàn). Hệ số trượt được

xác định như sau:

(2.5)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

39

Hiệu suất của biến mô thể hiện hiệu quả truyền công suất của biến mô,

nó được tính bằng tỷ lệ giữa công suất trên trục tua bin và công suất trên trục

bánh bơm:

(2.6)

Trong các công thức trên, N là công suất, M là mô men và n là vận tốc;

chỉ số B tương ứng với bánh bơm, chỉ số T tương ứng với bánh tua bin.

Hệ số khả năng truyền tải ( capacity factor):

(2.7)

2.2.2.3. Đặc tính không thứ nguyên của biến mô

Để đánh các chế độ hoạt động và tính năng của biến mô thủy lực người

ta thường sử dụng đặc tính không thứ nguyên của nó. Đặc tính không thứ

nguyên của biến mô thủy lực thể hiện mối quan hệ giữa hiệu suất , hệ số mô

men trên bánh bơm B và hệ số biến mô KT.B với tỷ số truyền iT.B. Trên hình

2.11 thể hiện các đặc tính không thứ nguyên của ly hợp và biến mô thủy lực.

Đặc tính không thứ nguyên của ly hợp thuỷ lực được thể hiện trên hình

2.11.a. Đối với ly hợp thủy lực: KT.B = 1 và  = iT.B, nên hiệu suất của nó tăng

tỷ lệ thuận với tỷ số truyền, còn hệ số mô men trên bánh bơm B thì thay đổi

tuỳ theo kết cấu của ly hợp. Có thể thấy rằng, ở vùng tỷ số truyền nhỏ hiệu suất

rất thấp, điều này ảnh hưởng xấu tới tính kinh tế nhiên liệu của ô tô sử dụng ly

hợp thủy lực. Đặc tính không thứ nguyên của biến mô thuỷ lực loại hỗn hợp có

một bánh phản ứng được mô tả trên hình 2.11b. Trong trường hợp này, cần

phân biệt 2 vùng làm việc: vùng biến mô và vùng ly hợp. Ở các các chế độ làm

việc với tải trọng lớn, tỷ số truyền nhỏ iT.B < iT.B', chế độ làm việc là biến mô.

Hệ số biến mô đạt giá trị cực đại khi biến mô trượt hoàn toàn (iT.B= 0) và giảm

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

40

dần khi tỷ số truyền tăng lên. Trong vùng này, hiệu suất tăng dần và đạt giá trị

cực đại, sau đó giảm nhanh.

Hình 2.11 Đặc tính không thứ nguyên [10]

a) Đặc tính không thứ nguyên của ly hợp thủy lực; b) Đặc tính không thứ

nguyên của biến mô một bánh phản ứng; c) Đặc tính không thứ nguyên của

biến mô có hai bánh phản ứng

Khi tỷ số truyền đủ lớn (iT.B = iT.B’), dòng chất lỏng ra khỏi bánh tua bin đổi

hướng làm quay bánh phản ứng, nhờ đó biến mô chuyển sang chế độ ly hợp thủy

lực. Ở chế độ này, hiệu suất tăng tuyến tính theo tỷ số truyền và KT.B = 1. Như

vậy, có thể thấy rằng, bằng cách đặt bánh phản ứng trên khớp một chiều người

ta tạo ra biến mô hỗn hợp với 2 chế độ làm việc khác nhau. Ưu điểm của cơ chế

này là khi tải trọng giảm xuống đến mức độ nào đó thì nhu cầu về việc tăng mô

men không còn nữa, lúc này biến mô chuyển sang làm việc ở chế độ ly hợp và

nhờ đó mà người ta có được hiệu suất cao ở vùng làm việc với tải trọng nhỏ (tỷ

số truyền lớn). Đây chính là vùng làm việc thườngxuyên được sử dụng trong

thực tế nên hiệu suất cao mang lại hiệu quả lớn trong việc tiết kiệm nhiên

liệu.Trên hình 2.11c là đặc tính không thứ nguyên của biến mô hỗn hợp có 2

bánh phản ứng. Mục đích của việc bố trí thêm bánh phản ứng thứ hai là mở rộng

vùng làm việc có hiệusuất cao của biến mô. Khi tỷ số truyền đạt giá trị ' thì bánh

phản ứng thứ nhất bắt đầu quay,nhưng bánh phản ứng còn lại vẫn đứng yên. Tới

khi iT.B= iT.B" thì bánh thứ hai cũng quay, lúcnày biến mô chuyển sang làm việc

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

41

ở chế độ ly hợp thuỷ lực. Như vậy, trong khoảng giữa uT.B' và " biến mô vẫn

duy trì được hiệu suất rất cao, nhờ đó vùng làm việc hiệu suất cao đượcmở rộng

hơn so với biến mô chỉ có một bánh phản ứng. Tuy nhiên, cấu tạo của biến mô

2 bánh phản ứng phức tạp hơn và giá thành cao hơn, nên chỉ được sử dụng trên

các ô tô có tải trọng lớn.Cần lưu ý rằng trong vùng tỷ số truyền nhỏ thì hệ số biến

mô lớn, nhưng ở đây hiệu suất của biến mô thủy lực lại rất thấp nên người ta

tránh sử dụng vùng này. Vì vậy, vùng làm việc của biến mô bị giới hạn bởi tỷ số

truyền tương ứng với hiệu suất nhỏ nhất cho phép(thường là 80%) và tỷ số truyền

tương ứng với thời điểm biến mô chuyển sang chế độ ly hợp thủy lực. Ở các biến

mô thủy lực ô tô, thời điểm chuyển sang chế độ ly hợp thường ứng với tỷ số

truyền trong khoảng từ 0,8 đến 0,85. Còn hiệu suất thường đạt được giá trị 80%

ở tỷ số truyền khoảng 0,4. Như vậy, vùng làm việc của biến mô ô tô thường nằm

trong khoảng tỷ số truyền từ 0,4 đến 0,85 [10, 22,25].

Mô hình cụm biến mô thủy lực được xây dựng dựa trên khối phần tử mẫu

Torque converter. Khối này gồm 2 cổng kết nối, cổng I nối với trục khuỷu động

cơ và cổng T được nối với trục sơ cấp của hộp số.

Hình 2.12 Mô hình biến mô men thủy lực trong Simscape

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

42

Hình 2.13 Kết quả mô phỏng đặc tính của biến mô

2.2.3. Mô hình hộp số

Trong hệ thống truyền lực tự động hộp số hành tinh được sử dụng rất rộng

rãi nhờ ưu điểm nhỏ gọn nhưng có thể tạo ra nhiều tỷ số truyền. Bộ truyền hành

tinh có nhiều loại:

- Loại 3 tốc độ với số truyền tăng điển hình như hộp số A140, A540 sử

dụng trong xe FF

Hình 2.14 Bộ truyền hành tinh 3 tốc độ hộp số A140 Toyota

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

43

- Loại 3 tốc độ với số truyền tăng sử dụng trong xe FR ứng dụng trong hộp

số A340, A540

- Loại 4 tốc độ và O/D dùng cho xe FR: Ở loại này một bộ truyền hành tinh

trung tâm được đặt giữa bộ truyền hành tinh trước và bộ truyền hành tinh sau.

Bằng việc phối hợp các bộ truyền đó với một bộ truyền hành tinh O/D ta có thể

lập được năm tỉ số truyền tiến và một tỷ số truyền lùi.

- Loại 5 tốc độ (các xe FR): Một bộ truyền hμnh tinh trung tâm được đặt

giữa bộ truyền hành tinh trước và bộ truyền hanh tinh sau. Bộ truyền hành tinh

trước có hai bánh răng hành tinh được bố trí giữa bánh răng bao và bánh răng

mặt trời. Bằng việc phối hợp các bộ truyền hành tinh này, có thể lập được năm

tỉ số truyền tiến và một tỉ số truyền lùi.

- Loại 4 tốc độ CR - CR (các xe FF): Có thể lập được bốn tỉ số truyền tiến

và một tỉ số truyền lùi bằng hai bộ bánh răng hành tinh. Một bộ truyền bánh răng

hành tinh CR-CR là một bộ bánh răng hành tinh nối cần dẫn trước và sau với

bánh răng bao.

Hình 2.15 Bộ truyền hành tinh 4 tốc độ loại CR-CR

sử dụng trong hộp số tự động U340

- Loại 4 tốc độ ravigneaux (các xe FF)

Một bánh răng hành tinh dài và một bánh răng hành tinh ngắn được đặt giữa

bánh răng bao và bánh răng mặt trời trước. Bánh răng hành tinh dài còn ăn khớp

với bánh răng mặt trời sau. Có thể lập được bốn tỉ số truyền tiến và một tỉ số

truyền lùi.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

44

Hình 2.16 Bộ truyền hành tinh loại 4 tốc độ ravigneaux

sử dụng trong hộp số tự động U440

Để thực hiện mô phỏng tác giả lựa chọn hộp số hành tinh 4 cấp loại CR-CR

như trên hình 2.17 làm đối tượng mô phỏng

Hình 2.17 Sơ đồ bộ truyền hành tinh 4 cấp loại CR-CR với 5 ly hợp

Trong sơ đồ hình là Hộp số 4 cấp kiểu CR-CR sử dụng 2 bộ truyền hành

tinh và 5 ly hợp ma sát kiểu đĩa. Trục bị động nối với giá của bánh răng hành

tinh của bộ truyền hành tinh ra và bánh răng bao của bộ truyền hành tinh vào.

Các ly hợp tạo ra 4 tỉ số truyền, một số lùi và số trung gian. Ly hợp lùi và hai

ly hợp xác định bánh răng nào sẽ nối với vỏ. Hai ly hợp khác làm việc như cơ

cấu phanh, nối các bánh răng khác nhau của các bộ truyền hành tinh với vỏ hộp

số. Các ký hiệu trên sơ đồ như sau:

R - Bánh răng bao

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

45

C- cần của bánh răng hành tinh

S- Bánh răng mặt trời

R -Ly hợp số lùi

A, B, C, D: Các ly hợp số tiến

Tỷ số truyền, sơ đồ ly hợp chuyển số và dòng công suất

(2.8)

(2.9)

Trong đó

NRI Số răng của bánh răng bao của bộ truyền hành tinh sơ cấp

NSI Số răng của bánh răng mặt trời của bộ truyền hành tinh sơ cấp

NRO Số răng của bánh răng bao của bộ truyền hành tinh thứ cấp

NSO Số răng cuae bánh răng mặt trười của bộ truyền hành tinh thứ cấp

Tỷ số truyền của các tay số và trạng thái của ly hợp được trình bày trong bảng

2.1. Trong đó ký hiệu 1 - trạng thái đóng ly hợp; ký hiệu 0 - nhả ly hợp.

Bảng 2.1 Trạng thái làm việc của các ly hợp ứng với các tay số

Trạng thái ly hợp Tay số Tỷ số truyền A B C D R

I 1 0 0 1 0

II 1 0 1 0 0 1

III 1 1 0 0 0

IV 0 1 1 0 0 g2

Lùi 0 0 0 1 1 -g1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

46

Hình 2.18 Mô hình mô phỏng hộp số 4 cấp [21]

Mô hình mô phỏng hộp số 4 cấp được xây dựng dựa trên các khối chức

năng gồm 02 bộ truyền hành tinh và 5 ly hợp A, B, C, D và R. Việc phối hợp

làm việc giữa các ly hợp tạo ra dòng truyền công suất tương ứng với các tay số.

Tại mỗi tay số sẽ có 2 ly hợp ở trạng thái khóa, các ly hợp còn lại được điều

khiển mở ra. Dựa trên bộ điều khiển chuyển số sẽ gửi tín hiệu cho khối điều

khiển ly hợp thực hiện việc đóng, ngắt các ly hợp phù hợp để sang số.

2.2.4 Mô hình khối điều khiển chuyển số

Sơ đồ nguyên lý điều khiển hộp số tự động được mô tả trên hình 2.19.

Khi ô tô chuyển động, người lái tác động lên bàn đạp ga ở một mức độ nhất

định nhằm đạt được vận tốc mong muốn (Va) trong điều kiện đường xá cụ thể

(thể hiện bằng tổng lực cản Fx). Để đáp ứng được yêu cầu của người lái, động

cơ phải cung cấp một công suất Ni, được xác định như sau:

(2.10)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

47

 - Góc mở bướm ga; Va - vận tốc ô tô; F - lực cản bánh xe; 1 - tín hiệu từ

cảm biến vi trí bướm ga; 2 - tín hiệu vận tốc trục ra hộp số; 3 - tín hiệu điều

khiển sang số

Hình 2.19 Nguyên lý chuyển số hộp số tự động [10]

Như vậy, có thể thấy rằng vị trí của bàn đạp ga tương ứng với một mức

công suất mà động cơ phải cung cấp để đáp ứng yêu cầu chuyển động theo

mong muốn của người lái. Trong quá trình hoạt động, công suất yêu cầu

thường xuyên thay đổi do vận tốc thay đổi tùy theo điều kiện giao thông và

lực cản cũng thay đổi do trạng thái hay độ dốc cùa mặt đường. Chằng hạn, khi

lực cản tăng lên (chuyển động lên dốc) vận tốc ô tô sẽ giảm, lúc này người lái

sẽ tăng thêm mức ga nhằm duy trì vận tốc mong muốn. Tuy nhiên, nếu tăng

ga hết cỡ (góc mở bướm ga đạt giá trị lớn nhất max) mà lực kéo vẫn không

đủ để thắng lực cản thì vận tốc ô tô giảm dần, kéo theo vận tốc của động cơ

và dẫn đến hiện tượng chết máy. Đây là lúc cần phải tăng tỷ số truyền của hệ

thống truyền lực bằng cách chuyển về số thấp hơn. Ngược lại, khi cần tăng

tốc ô tô trong điều kiện đường xá thuận lợi thì người lái tăng dần mức ga tới

khi động cơ đạt tới vận tốc giới hạn thì vận tốc của ô tô không tăng được nữa.

Lúc này phải chuyển sang cấp số cao hơn (giảm tỷ số truyền) để ô tô có thể

tiếp tục tăng tốc ở dải vận tốc cao hơn. Vì vậy, đổi với hệ thống truyền lực có

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

48

cấp, công suất được truyền tới các bánh xe chủ động được phân bố ở các dải

tốc độ khác nhau tùy theo tỷ số truyền (xem hình 2.20).

Tóm lại, điều kiện để chuyển số phụ thuộc chủ yếu vào hai thông số: độ

mở bướm ga và vận tốc của ô tô. Vì vậy, hệ thống điều khiển hộp số tự động

được thiết kế để thực hiện việc sang số dựa trên sự kết hợp của hai thông tin

trên.

Độ mở bướm ga được xác định nhờ một cảm biến góc quay đặt trên

trục của nó, còn vận tốc của ô tô được đo gián tiếp thông qua vận tốc trục thứ

cấp của hộp số nhờ một cảm biến vận tốc góc (hình 2.19). Dựa trên các thông

tin do các cảm biến cung cấp, hệ thống điều khiển thực hiện sang số cho phù

hợp với điều kiện chuyển động. Chẳng hạn, nếu góc mở của bướm ga lớn mà

vận tốc của trục thứ cấp lại nhỏ thì phải chuyển về số thấp hơn và ngược lại.

Hình 2.20 Đồ thị công suất ở các cấp số khác nhau

Ta xét đồ thị đặc tính thể hiện trên hình 2.20. Có thể thấy rằng, nếu độ

dốc của đường bằng 0 và vận tốc chuyển động giới hạn trong khoảng từ 15-

20 km/h thì ô tô chỉ có thể chuyển động ở cấp số 1 hoặc 2, còn trong dải vận

tốc từ 40 - 60 km/h thì tất cả các cấp số đều có thể được sử dụng. Ở các dải

vận tốc khác nhau, khả năng cung cấp mô men tại bánh xe chủ động phụ thuộc

vào cấp số được sử dụng. Chẳng hạn, nếu điều kiện chuyển động yêu cầu phải

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

49

cung cấp công suất là 50 kW ở vận tốc 50 km/h thì chỉ có cấp số 1 là có thể

đáp ứng. Nhưng nếu mức công suất yêu cầu giảm xuống 40 kW thì số 1 và số

2 đều có thể được sử dụng. Như vậy, trong một điều kiện cụ thể ô tô có thể

chuyển động được ở nhiều cấp số khác nhau. Vì vậy, để có thể lựa chọn được

cấp số hợp lý nhất cần phải dựa trên các tiêu chí phụ khác (ngoài công suất và

vận tốc). Tiêu chí quan ữọng hơn cả trong trường họp này chính là mức tiêu

thụ nhiên liệu tối thiểu.

Hình 2.21 Mô hình khối điều khiển chuyển số

Trên thực tế, để hệ thống điều khiển có thể hoạt động được thì cần đặt

ra giá trị ngưỡng cho các tín hiệu từ các cảm biến. Khi giá trị tín hiệu của các

cảm biến đạt tới ngưỡng giới hạn thì hệ thống thực hiện việc sang số. Mối

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

50

quan hệ giữa các giá trị ngưỡng này được gọi là quy luật sang số. Vì vậy, để

thiết kế hệ thống điều khiển hộp số tự động người ta phải xây dựng quy luật

sang số theo các tiêu chí đã chọn trước [10,22].

Trong luận văn này, mô hình khối điều khiển chuyển số được xây dựng

bằng modul Stateflow như trình bày trên hình 2.21

2.2.5. Mô hình lốp

Do mối quan hệ giữa lực kéo và độ trượt rất phức tạp, người ta thường

sử dụng các công thức gần đúng để mô tả quan hệ này. Biểu thức thể hiện quan

hệ giữa lực kéo và độ trượt được gọi là mô hình lốp. Ngày nay, có nhiều mô

hình lốp khác nhau như mô hình Pacejca, mô hình Burchkhardt [9]…

Trong các công thức trên, công thức xây dựng bởi Pacejca còn gọi là

công thức Magic formula, được coi là công thức mô tả tốt nhất quan hệ giữa

lực Fx và độ trượt. Công thức Magic formula được viết như sau:

(2.11)

Trong đó: D, C,B, E là các hệ số ( bảng 2.2 )

Bảng 2.2 Giá trị các hệ số B, C, D, E ứng với một số loại đường

Loại đường B C D E

Nhựa khô 10 1.9 1 0.97

Nhựa ướt 12 2.3 0.82 1

Tuyết 5 2 0.3 1

Đóng băng 4 2 0.1 1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

51

Hình 2.22 Sơ đồ Simulink Simscape mô tả lốp

Để mô hình hóa lốp xe ở cầu trước và cầu sau, khối Tyre được sử dụng

dựa trên công thức Magic Fomular. Khối này được lấy từ thư viện Tyre &

vehicle trong Simscape Driveline. Mỗi khối lốp bao gồm 5 kết nối: A, H, N, S,

M. Trong đó, cổng kết nối N là cổng đầu vào tín hiện phản lực pháp tuyến; kết

nối S là độ trượt của lốp. Cổng tín hiệu vật lý M chấp nhận một vectơ bốn phần

tử tương ứng với các hệ số Công thức ma thuật (Magic Fomular) B, C, D và E

được thể hiện trong Bảng 2.2 [1,2].

2.2.6. Mô hình thân xe

Chuyển động của ô tô là do kết quả các lực tác dụng lên xe. Trên hình

2.23 trình bày sơ đồ lực tác dụng lên ô tô trong trường hợp tổng quát.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

52

Hình 2.23 Sơ đồ lực tác dụng lên ô tô

Phương trình vi phân mô tả động lực học của thân xe được viết như sau:

𝑚𝑉𝑥̇ = 𝐹𝑥 − 𝐹𝑑 − 𝑚. 𝑔. 𝑠𝑖𝑛𝛽

𝐹𝑥 = 𝑛(𝐹𝑥𝑓 + 𝐹𝑥𝑟)

𝐹𝑑 = 𝐶𝑑𝜌. 𝐴(𝑉𝑥 + 𝑉𝜔)2𝑠𝑔𝑛(𝑉𝑥 + 𝐹𝜔) 1 2 (2.12)

𝐹𝑧𝑓 =

𝐹𝑧𝑟 = −ℎ(𝐹𝑑 + 𝑚. 𝑔. 𝑠𝑖𝑛𝛽 + 𝑚. 𝑉̇𝑥) + 𝑏. 𝑚. 𝑔. 𝑐𝑜𝑠𝛽 𝑛(𝑎 + 𝑏) ℎ(𝐹𝑑 + 𝑚. 𝑔. 𝑠𝑖𝑛𝛽 + 𝑚. 𝑉̇𝑥) + 𝑎. 𝑚. 𝑔. 𝑐𝑜𝑠𝛽 𝑛(𝑎 + 𝑏)

𝐹𝑧𝑓 + 𝐹𝑧𝑟 = mg 𝑐𝑜𝑠𝛽 𝑛

Trong đó:

g - gia tốc trọng trường;

β- góc nghiêng của đường;

m: khối lượng của ô tô;

h- chiều cao trọng tâm;

a, b- khoảng cách từ trọng tâm đến cầu trước và cầu sau;

Vx-tốc độ của ô tô;

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

53

Vw-tốc độ của gió;

N- Số lượng của bánh xe trên một cầu;

Fxf, Fxr: lực dọc tác dụng lên cầu trước và sau;

Fzf, Fzr- lực pháp tuyến từ mặt đường tác dụng lên các bánh xe trước và sau;

Diện tích cản chính diện của ô tô;

Cd- hệ số cản không khí;

ρ- mật độ không khí;

Fd- lực cản không khí.

Để mô tả thân xe ta sử dụng khối Vehicle body như trình bày trên hình 2.25

Hình 2.24 Sơ đồ khối Simulink mô tả thân xe

2.2.7. Mô hình điều khiển người lái

Điều khiển người lái được mô phỏng thông qua khối tác động của người

lái. Khối này gồm 2 tín hiệu liên quan đến mức ga Th và trạng thái bàn đạp

phanh P. Phối hợp tác động phanh, ga của người lái tương ứng với 4 trường

hợp: xe tăng tốc từ từ, lăn trơn, phanh gấp, vượt xe phía trước. Mô hình được

trình bày trên hình 2.26.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

54

Hình 2.25 Tác động của người lái

a) Mô hình mô phỏng; b) Tín hiệu phanh ga trong trường hợp phanh gấp

2.2.8. Mô hình toàn xe

Dựa trên mô hình các hệ thống con đã xây dựng được ở các phần trên, ta

có mô hình toàn xe như trình bày trên hình 3.11. Với mô hình này cho phép ta

thay đổi các thông số đầu vào như tác động phanh, ga của người lái và điều

kiện chuyển động như độ dốc đường, gió… cũng như các thông số cấu tạo khác

của ô tô để nhận được kết quả là vận tốc chuyển động của ô tô dưới dạng đồ thị

hoặc bảng số. Chính vì vậy, mô hình này cho phép ta nghiên cứu xác dịnh được

vận tốc chuyển động của ô tô ứng với từng điều kiện làm việc cụ thể.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

55

Hình 2.26 Mô hình mô phỏng toàn xe trang bị hộp số tự động 4 cấp

2.3. Kết luận chương 2

Qua nghiên cứu trong chương 2 có thể rút ra một số kết luận sau đây:

- Để nghiên cứu động học động lực học ô tô nói chung và nghiên cứu

ảnh hưởng của hộp số tự động đến vận tốc chuyển động của ô tô ta có thể sử

dụng phương pháp thực nghiệm hoặc mô phỏng;

- Về mặt kết cấu, các hộp số tự động khác nhau đều có cấu tạo chung

gồm cụm biến mô men thủy lực, hộp số cơ khí và hệ thống điều khiển. Hiện

nay, hộp số tự động với hộp giảm tốc hành tinh được sử dụng rất phổ biến trên

ô tô hiện đại;

- Để đảm bảo chủ động linh hoạt trong việc nghiên cứu các thông số

động học như vận tốc, gia tốc và các các thông số khác của ô tô trang bị hộp số

tự động, trong luận văn này tác giả lựa chọn phần mềm Matlab với các modul

State flow, Simulink, Simscape làm công cụ mô phỏng. Đối tượng mô phỏng

là ô tô trang bị hộp số tự động 4 cấp kiểu CR-CR.

Chương 3 - MÔ PHỎNG XÁC ĐỊNH VẬN TỐC CỦA Ô TÔ

TRANG BỊ HỘP SỐ TỰ ĐỘNG

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

56

3.1. Trường hợp mô phỏng

Để xác định vận tốc của ô tô trang bị hộp số tự động, tác giả sử dụng mô

hình mô phỏng đã xây dựng trên hình 2.26. Tín hiệu đầu vào được minh họa

bằng khối “ Tác động của người lái” trên hình 2.25, trong đó là hai tín hiệu cơ

bản: mức ga và phanh. Các thông số kỹ thuật của ô tô được lấy theo bảng 3.1.

Việc mô phỏng được tiến hành trong trường hợp sau:

Trường hợp 1. Ô tô tăng tốc từ trạng thái đứng yên

Trường hợp 2. Ô tô thực hiện vượt xe phía trước

Trường hợp 3. Ô tô chuyển động lăn trơn xuống dốc

Trường hợp 4. Phanh gấp

Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của ô tô

Khoảng cách từ trọng tâm đến cầu 1,5 Khối lượng ô tô (kg) 1450 trước (m)

Khoảng cách từ trọng tâm đến cầu Diện tích cản chính 1,7 2,6 sau(m) diện(m2)

Chiều cao trọng tâm (m) 0,45 Hệ số cản 0,4

Công suất cực đại của động cơ Mật độ không khí 160 1,18 (kW) (kg/m3)

Tốc độ của động cơ khi đạt công Bán kính lăn bánh xe 4600 0,28 suất lớn nhất (v/p) (m)

Tốc độ không tải của động cơ (v/p) 550 Hệ số cản lăn 0,018

3.2. Phân tích kết quả

3.2.1. Kết quả mô phỏng trường hợp 1 - ô tô tăng tốc từ trạng thái đứng yên

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

57

Hình 3.1 Tác động phanh và ga của người lái khi tăng tốc từ từ

Khi tăng tốc ô tô từ từ, người lái đạp bàn đạp ga để tăng dần độ mở bướm

ga, tại thời điểm tăng tốc t=0s, độ mở bướm ga là 30%, tại thời điểm t=60s độ

mở bướm ga khoảng 66%. Kết quả mô phỏng trường hợp 1 khi ô tô tăng tốc từ

trạng thái đứng yên được biểu diễn trên các hình 3.2 đến 3.5.

Hình 3.2 Sự thay đổi của tốc độ, mô men xoắn và công suất có ích của

động cơ khi ô tô tăng tốc từ từ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

58

Hình 3.3 Đồ thị tốc độ và mô men trên trục bánh bơm và bánh tua bin khi ô

tô tăng tốc từ từ

Kết quả mô phỏng cho thấy khi tăng dần độ mở bướm ga, các giá trị tốc

độ, mô men xoắn của động cơ đều tăng. Do được liên kết với trục động cơ, tốc

độ của bánh bơm biến mô có quy luật thay đổi gần như trùng khít với sự thay

đổi của tốc độ động cơ. Tại thời điểm t=60s tốc độ bánh bơm đạt nB=2000v/p

trong khi đó tốc độ trên trục bánh tua bin tại t=60s đạt khoảng nT=1000 v/p.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

59

Hình 3.4 Đồ thị tốc độ trên trục sơ cấp và thứ cấp của hộp số

khi ô tô tăng tốc từ từ

Trên hình 3.4.a trình bày tốc độ trục vào, trục ra của hộp số và tốc độ của

ô tô, còn trên hình 3.4 b trình bày quá trình chuyển số thông qua trạng thái làm

việc của các ly hợp. Ở giai đoạn t=0-4s ly hợp A và D khóa hộp số làm việc ở

tay số I; giai đoạn t=4-15s hộp số làm việc ở số II còn từ thời điểm t=15-60s

lúc này các ly hợp B và A khóa, hộp số ở vị trí tay số III. Kết quả mô phỏng

hình 3.15 và 3.16 cho thấy khi tăng từ từ độ mở bướm ga, tốc độ ô tô sẽ tăng

dần, khi t=60 vận tốc đạt khoảng 73km/h tương ứng với độ mở bướm ga khoảng

66%.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

60

Hình 3.5 Đồ thị tốc độ của ô tô khi tăng tốc từ từ

3.2.2. Kết quả mô phỏng trong trường hợp 2: khi ô tô vượt xe phía trước

Hình 3.6 Quá trình ô tô tăng tốc vượt xe phía trước

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

61

Hình 3.7 Tác động phanh và ga của người lái

Khi thực hiện vượt xe phía trước, ban đầu người lái tăng tốc cho xe đạt

vận tốc lớn hơn xe cần vượt, sau khi vượt qua có thể thực hiện việc giảm tốc

độ (hình 3.6), trong trường hợp này người lái không thực hiện phanh xe. Trên

hình 3.7 trình bày tác động phanh và ga của người lái trong trường hợp vượt

xe. Mức ga thay đổi trong quá trình vượt tốc như sau:

Thời gian t(s) 0 14,9 15 60

Độ mở bướm ga Thr (%) 60 40 100 47

Trên đồ thị hình 3.8 là kết quả mô phỏng sự thay đổi các thông số của

động cơ gồm: tốc độ động cơ we, mô men xoắn Me và công suất động cơ Pe

theo độ mở của bướm ga.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

62

Hình 3.8 Sự thay đổi của tốc độ, mô men xoắn và công suất có ích của

động cơ khi ô tô vượt xe phía trước

Hình 3.9 Đồ thị tốc độ và mô men trên trục bánh bơm và bánh tua bin khi ô

tô thực hiện vượt xe phía trước

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

63

Hình 3.10 Đồ thị tốc độ trên trục sơ cấp và thứ cấp của hộp số khi ô tô vượt

xe phía trước

Từ đồ thị hình 3.10 cho thấy trong khoảng thời gian t=0-4 s ly hợp D và

A đóng, hộp số ở vị trí tay số I, từ t=5-10s ly hợp C và A đóng hộp số chuyển

sang tay số II, từ tại t=14,9 s độ mở bướm ga giảm xuống 40% và người lái đột

ngột tăng ga để vượt xe phía trước, hộp số điều khiển tự động ở vị trí số III cho

đến thời điểm t=37s, từ thời điểm này trở đi hộp số chuyển về vị trí tay số IV

và giữ nguyên đến thời điểm kết thúc mô phỏng t=60s. Có thể thấy vận tốc của

ô tô tăng dần từ thời điểm t=0-37s , sau khi chuyển sang làm việc ở tay số IV

vận tốc ô tô giảm một chút do lúc này người lái đã vượt qua xe phía trước và

giảm ga. Tốc độ đạt được khi t=60s là 72km/h.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

64

Hình 3.11 Đồ thị tốc độ của ô tô trong trường hợp vượt xe phía trước

3.2.3 Kết quả mô phỏng trường hợp ô tô chuyển động lăn trơn

Khi ở chế độ chuyển động lăn trơn tín hiệu điều khiển của người lái được

mô phỏng như trên hình 3.12. Trong trường hợp này, ban đầu người lái điều

khiển bàn đạp ga ở mức mở 80% ở 5 s đầu tiên, sau đó giảm dần đến mức ga

là 0% tại thời điểm t=10s. Trong quá trình giảm ga, người lái không tác động

phanh.

Trên các đồ thị hình 3.13 và 3.14 biểu diễn sự thay đổi tốc độ, công suất,

mô men xoắn động cơ (hình 3.13) và sự thay đổi của các thông số làm việc của

biến mô men thủy lực. Từ đồ thị ta thấy, quy luật thay đổi tốc độ của bánh bơm

biến mô giống với tốc độ của động cơ, còn tốc độ của bánh tua bin có sự thay

đổi đột ngột tại các thời điểm t=0s;4s và 7s; đây chính là thời điểm trong hộp

số diễn ra quá trình chuyển số.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

65

Hình 3.12 Tác động từ người lái khi xe chuyển động lăn trơn

Hình 3.13 Đồ thị biến thiên tốc độ công suất và mô men xoắn của động cơ

khi ô tô chuyển động lăn trơn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

66

Hình 3.14 Đồ thị biến thiên tốc độ và mô men xoắn trên trục bánh bơm và

bánh tuabin của biến mô thủy lực khi ô tô chuyển động lăn trơn

Hình 3.15 Đồ thị tốc độ trục hộp số và trạng thái làm việc của ly hợp

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

67

Hình 3.16 Đồ thị vận tốc của ô tô khi lăn trơn

Các đồ thị trên hình 3.15 và 3.16 cho ta thấy rõ hơn sự thay đổi tốc độ

chuyển động của ô tô khi lăn trơn. Phân tích đồ thị 3.15b ta thấy, thời điểm t=0-

4s hộp số ở vị trí số I do các ly hợp A và D đóng. Ở thời điểm t=4-7s hộp số

chuyển sang vị trí số II, từ sau thời điểm t=7s, hộp số chuyển sang vị trí số III

vận tốc ô tô giảm dần. Có thể thấy trong trường hợp này, ở giai đoạn t=0-9 tốc

độ của ô tô tăng dần và đạt v=46km/h sau đó tốc độ giảm dần, tại t=60s vận tốc

ô tô còn lại khoảng 21 km/h.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

68

3.2.4 Kết quả mô phỏng trường hợp phanh gấp

Để mô phỏng trường hợp phanh gấp của ô tô, mô hình tác động từ người

lái sử dụng tín hiệu phanh và ga như trên hình 3.17. Trong đó, ở giai đoạn đầu

từ 0-20 người lái đang điều khiển xe trên đường duy trì độ mở bướm ga ở mức

50%. Khi gặp chướng ngại vật phía trước người lái tác động phanh đột ngột.

Kết quả mô phỏng tính toán các thông số của động cơ được trình bày trên hình

3.18 và sự thay đổi của các thông số của biến mô thủy lực được trình bày trên

các hình 3.19. Rõ ràng, trong quá trình chuyển động, trong hộp số diễn ra nhiều

giai đoạn chuyển số khác nhau và làm cho vận tốc của các trục bánh tuabin thay

đổi. Có thể quan sát thấy sự thay đổi về tốc độ trên trục bánh tua bin xảy ra tại

các thời điểm t=4s;10s,20s và 22s.

Hình 3.17 Tác động của người lái khi phanh gấp

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

69

Hình 3.18 Đồ thị biến thiên tốc độ công suất và mô men xoắn của động cơ

Hình 3.19 Đồ thị biến thiên tốc độ và mô men xoắn trên trục bánh bơm và

bánh tuabin của biến mô thủy lực

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

70

Hình 3.20 Đồ thị tốc độ trục và trạng thái làm việc của ly hợp hộp số

Hình 3.21 Đồ thị vận tốc của ô tô khi phanh gấp

Trên hình 3.20 và 3.21 cho chúng ta thấy rõ hơn sự thay đổi của vận tốc

ô tô trong quá trình phanh gấp. Ở giai đoạn đầu t=0-20s khi người lái giữ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

71

nguyên bàn đạp ga ở mức 50%, ô tô khởi hành và vận tốc tăng dần, thời điểm

chuyển số và duy trì số lần lượt diễn ra như sau: số I (t=0-5s), số II(5-12s); số

III (12-20s); số IV(20-24s); số III (t=24-26s); số II( t=26-28s); từ 28s đến 60 s

ô tô dừng hẳn và vị trí tay số chuyển về số I. Có thể thấy, vận tốc ô tô tăng dần

trong khoảng thời gian t=0-20s đến vận tốc 50km/h , sau đó do tác động phanh

gấp của người lái vận tốc giảm dần và tại t=28s ô tô dừng hẳn. Như vậy, có thể

thấy với vận tốc ban đầu 50km/h thời gian phanh khẩn cấp đến khi xe dừng hẳn

trong trường hợp này diễn ra khoảng 8s.

3.3. Kết luận chương 3

Trong chương 3 trình bày kết quả mô xác định vận tốc chuyển động của

ô tô trang bị hộp số tự động trong 4 điều kiện chuyển động đặc trưng gồm: i) ô

tô chuyển động lăn trơn; ii) phanh gấp; iii) tăng tốc và iv) vượt xe. Đóng góp

chính của chương này là mở rộng các mô hình nghiên cứu trước đây để nghiên

cứu ảnh hưởng của một kết cấu hộp số tự động trên ô tô cụ thể. Mở rộng kết

quả nghiên cứu, mô phỏng vận tốc của ô tô trong những điều kiện làm việc đặc

trưng kể trên có thể được sử dụng làm cơ sở cho việc lựa chọn hộp số tự động

phù hợp trong giai đoạn thiết kế ban đầu

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

72

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Các kết luận

Sau một thời gian thực hiện, luận văn “ Nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện

chuyển động đến vận tố của ô tô trang bị hộp số tự động” đã hoàn thành được

những nội dung sau:

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về hộp số tự động trang bị trên ô tô;

- Đã nghiên cứu xây dựng được mô hình toàn xe của ô tô trang bị hộp số

tự động 4 cấp kiểu CR-CR bằng phần mềm Matlab Simulink;

- Đã sử dung mô hình xây dựng để nghiên cứu xác định vận tốc chuyển

động của ô tô trang bị hộp số tự động trong 4 điều kiện chuyển động đặc

trưng gồm: i) ô tô chuyển động lăn trơn; ii) phanh gấp; iii) tăng tốc và

iv) vượt xe.

Đóng góp chính của đề tài mở rộng các mô hình nghiên cứu trước đây

để nghiên cứu ảnh hưởng của một kết cấu hộp số tự động trên ô tô cụ thể.

Mở rộng kết quả nghiên cứu, mô phỏng vận tốc của ô tô trong những điều

kiện làm việc đặc trưng kể trên có thể được sử dụng làm cơ sở cho việc lựa

chọn hộp số tự động phù hợp trong giai đoạn thiết kế ban đầu

Đề xuất kiến nghị

Đề tài này có thể tiếp tục được phát triển theo hướng sau đây:

- Nghiên cứu tối ưu hóa quá trình chuyển số trong hộp số tự động;

- Nghiên cứu tối ưu các thông số kết cấu của hệ thống truyền lực tự động

theo các hàm mục tiêu khác nhau;

- Nghiên cứu ảnh hưởng của kết cấu hệ thống truyền lực đến khả năng

động lực học và tính kinh tế nhiên liệu của ô tô.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

73

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng Việt

1. Nguyễn Hữu Cẩn (2005), Lý thuyết ô tô máy kéo, Nhà xuất bản khoa học

kỹ thuật.

2. Chu Thành Khải (2015), Nghiên cứu động học và động lực học hộp số

tự động, mô phỏng hoạt động của hộp số, Luận văn thạc sĩ Trường

ĐHSPKT TP Hồ Chí Minh.

3. Nguyễn Văn Cung (2012), Nghiên cứu thiết kế cơ cấu dẫn động vạn năng

điều khiển hộp số cơ khí thông qua bộ truyền vi sai bánh răng, Luận văn

thạc sĩ kỹ thuật, Đại học Đà Nẵng.

4. Phạm Hưng Thịnh (2015), Mô phỏng động lực học hệ thống truyền lực

có biến mô thủy lực và hộp số tự động, Luận văn thạc sĩ kỹ thuật, Trường

Đại học GTVT Hà Nội.

5. Tạ Thị Thanh Huyền (2015), Tự động hóa điều khiển ly hợp ma sát trong

hệ thống truyền lực trên ô tô, Luận văn thạc sĩ kỹ thuật, Trường Đại học

GTVT Hà Nội.

6. Tạ Thị Thanh Huyền, Trần Văn Như, Nguyễn Thành Công, Điều khiển

Anti-Windup PID hệ thống truyền lực AMT, Tạp chí Cơ khí Việt nam,

Số đặc biệt, Tháng 9/2016, Trang 224-229.

7. Nguyễn Lương Huy (2010) Nghiên cứu xây dựng đặc tính động lực học

của quá trình chuyển số của ô tô có hộp số tự động AT” , Luận văn thạc

sĩ kỹ thuật, trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội.

8. Tạ Thị Thanh Huyền, Trần Văn Như, Xây dựng mô hình và mô phỏng

động lực học hệ thống truyền lực AMT trên ô tô, Tạp chí Khoa học và

công nghệ, ISSN 1859-3585, Số 27, Tháng 4/2016, Trang 261-264.

9. Nguyễn Trọng Hoan (2016), Hộp số tự động, NXB Giáo dục Việt Nam.

10. Nguyễn Trọng Hoan, Nguyễn Khắc Tuân (2018), Hệ thống truyền lực ô

tô, NXB Giáo dục Việt Nam.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

74

Tiếng Anh

11. Peng Dong, Optimized shift control in Automatic Transmissions with

respect to Spontaneity, comfort and shift loads, PhD thesis, Institut

Product and Service Engineering

12. Haj-Fraj, A. and Pfeiffer, F. (2001).Optimal controlof gear shift

operations in automatic transmissions.Journal of the Franklin Institute,

338(2), 371–390.

13. Haj-Fraj, A. and Pfeiffer, F. (2002). A model based ap-proach for the

optimisation of gearshifting in automatictransmissions. International

journal of vehicle design,28(1), 171–188.

14. Han, W. and Yi, S.J. (2003). A study of shift control usingthe clutch

pressure pattern in automatic transmission.Proceedings of the Institution

of Mechanical Engineers,Part D: Journal of Automobile Engineering,

217(4),289–298.

15. Patinya Samanuhut (2011), Modeling and control of automatic

transmission with planetary gear for shift quality.

16. A. K. Tugcu, K. V. Hebbale, A. A. Alexandridis, and A. M. Karmel,

Modeling and simulation of the powertrain dynamics of vehicles

equipped with automatic transmission," in Proceedings of Symposium

on Simulation of Ground Vehicles and Transportation Systems, vol. 2.

Anaheim: ASME, December 1986, pp.39-61.

17. W. L. Husselbee, Automatic Transmissions Fundamentals and Services.

NJ: Prentice Hall, 1986.

18. H. Tsutsui, T. Hisano, A. Suzuki, M. Hijikata, M. Taguchi, and K.

Kojima, Electro hydraulic control system for aisin aw new 6 speed

automatic transmission, in Transmission and Driveline Systems

Symposium 2004, no. 2004. 01 1638. SAE 2004 World Congress, 2004.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

75

19. Moawad, A. and Rousseau, A. (2012, August). Effect of Transmission

Technologies on Fuel Efficiency – Final Report. (Report No. DOT HS

811 667). Argonne, IL: Argonne National Laboratory.

20. N Zhang et al. Modelling of dynamic characteristics of an automatic

transmission during shift changes, Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Part I Journal of Systems and Control Engineering

216(4) · June 2002

21. https://www.mathworks.com/

Tiếng Nga

22. Автоматические трансмиссии : практикум / А.В. Брусенков, П.П.

Беспалько, С.М. Ульянов, Д.Н. Коновалов. – Тамбов : Изд-во, Тамб.

гос. техн. ун-та, 2010. – 136 с.

23. Дентон, Т. Автомобильная электроника / Том Дентон ; пер. С англ.

В.М. Александрова. – НТ Пресс, 2008. – 576 с.

24. Ютт, В.Е. Электрооборудование автомобилей : учебник для вузов

/ В.Е. Ютт. – 4-е изд., перераб. и доп. – М. : Горячая линия – Те-

леком, 2006. – 440 с.

25. Харитонов, С.А. Автоматические коробки передач / С.А. Ха-

ритонов. – М. : ООО «Издательство Астрель» ; ООО «Издательство

АСТ», 2003. – 479с.: ил.

26. Косенков, А.А. Диагностика неисправностей автоматических

коробок передач и трансмиссий / А.А. Косенков. – Серия

«Библиотека автомобилиста». – Ростов н/Д. : Феникс, 2003. – 224 с.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn