MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU……………………………………….................................……………..….……i
LỜI CẢM ƠN……………………………………...............................………………...…....….ii
TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỒ ÁN………………………………...............................…....….…..iii
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN.................................................................................................1
1.1 Nhiệm vụ của hệ thống truyền lực trên ô tô..................................................................1
1.2 So sánh giữa hộp số cơ khí và hộp số tự động............................................................1
1.3 Giới thiệu tổng quan về hộp số tự động........................................................................2
1.4 Phân loại hộp số tự động..............................................................................................2
1.4.1 Theo cách bố trí trên phương tiện..............................................................................2
1.4.2 Theo cấu trúc bộ truyền bánh răng............................................................................3
1.4.3 Theo phương pháp điều khiển...................................................................................3
1.5 Ưu, nhược điểm của hộp số hành tinh.........................................................................4
1.6 Yêu cầu thiết kế hộp số tự động cho xe bán tải...........................................................5
1.7 Giới thiệu sơ đồ hộp số trên xe toyotahilux 2018 2.4L 6AT..........................................5
1.7.1 Cấu trúc tổng thể.......................................................................................................6
1.7.2 Sơ đồ nguyên lý.........................................................................................................6
1.7.3 Nguyên lý hoạt động của hộp số 6AT........................................................................7
1.7.4 Tỷ số truyền và đặc tính vận hành.............................................................................8
1.7.5 Ưu điểm nổi bật của hộp số 6AT trên Toyota Hilux 2018...........................................8
1.8 Giới thiệu phần mềm Amesim và Matlab trong mô phỏng hộp số................................9
1.8.1 Tổng quan về mô phỏng hộp số ô tô.........................................................................9
1.8.2 Giới thiệu phần mềm AMESim.................................................................................10
1.8.3 Giới thiệu phần mềm MATLAB/Simulink..................................................................11
1.8.4 Lợi ích của việc kết hợp AMESim và MATLAB/Simulink.........................................12
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ............................................................................13
2.1 Các bộ truyền hành tinh cơ bản.................................................................................13
2.1.1 Bộ truyền hành tinh Wilson.....................................................................................13
2.1.2 Bộ truyền hành tinh Simpson..................................................................................14
2.1.3 Bộ truyền hành tinh Ravigneaux.............................................................................15
2.2 Các phương án thiết kế bộ truyền hành tinh..............................................................17
2.2.1 Hộp số hành tinh tổ hợp của 3 hệ hành tinh Wilson................................................17
CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC..................................................................19
3.1 Các thông số của xe được chọn................................................................................19
3.2 Đồ thị đặc tính tốc độ ngoài của động cơ..................................................................20
3.3 Tính chọn biến mô.....................................................................................................21
3.3.1 Các thông số cơ bản của biến mô..........................................................................21
3.3.2 Lựa chọn biến mô thủy lực thiết kế........................................................................22
3.3.3 Tính toán và chọn biến mô thủy lực.......................................................................23
3.3.4 Xây dựng đường đặc tính trên trục vào của biến mô............................................24
3.3.5 Xây dựng đường đặc tính trên trục ra của biến mô...............................................27
3.4 Xác định tỉ số truyền của hệ thống truyền lực...........................................................28
3.4.1 Xác định tỉ số truyền của truyền lực chính.............................................................28
3.4.2 Xác định tỉ số truyền của từng tay số trong hộp số................................................29
3.5 Đồ thị đặc tính kéo....................................................................................................30
CHƯƠNG 4. TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC HỘP SỐ HÀNH TINH.......................................34
4.1 Thành lập phương trình động học của hộp số..........................................................34
4.2 Tính toán tỉ số truyền cho từng số truyền riêng biệt..................................................35
4.2.1 Bảng thống kê tỉ số truyền của từng tay số............................................................40
4.2.2 Tính toán tỉ số răng giữa các cặp bánh răng..........................................................40
4.3 Tính toán kích thước của các bánh răng trong các bộ truyền...................................41
4.3.1 Chọn vật liệu...........................................................................................................41
4.3.2 Xác định ứng suất tiếp xúc và ứng suất uốn cho phép...........................................41
4.3.3 Tính ứng xuất khi quá tải.........................................................................................43
4.3.4 Xác định các thông số hình học cơ bản của bộ truyền...........................................43
4.3.5 Tính lại tỉ số truyền hộp số......................................................................................47
4.4 Tính bền cho các chi tiết trong hộp số.......................................................................47
4.4.1 Kiểm nghiệm bền cho bộ truyền Wilson đầu tiên....................................................47
4.4.2 Kiểm nghiệm bền cho bộ truyền Wilson sau..........................................................50
CHƯƠNG 5. MÔ HÌNH HỘP SỐ AT6. ............................................................................54
5.1 Giới thiệu phần mềm..................................................................................................54
5.2 Các thư viện và các khối trong Simcenter được sử dụng..........................................54
5.3 Chức năng của các khối chính...................................................................................54
5.3.1 Khối DRVICE01H.....................................................................................................56
5.3.2 Khối DRVDRVAT01.................................................................................................58
5.3.3 Khối TRPGT001A....................................................................................................61
5.3.4 Khối TRDCB001......................................................................................................61
5.3.5 Khối TRTHTC00A....................................................................................................63
5.3.6 Khối DRVDRVAT01V01...........................................................................................64
5.4 Xây dựng mô hình......................................................................................................65
5.4.1 Mô hình trong AMESIM...........................................................................................66
5.4.2 Mô hình điều khiển..................................................................................................74
CHƯƠNG 6. THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH QUY LUẬT CHUYỂN SỐ...................................80
6.1 Mục đích của thí nghiệm.............................................................................................80
6.2 Kịch bản thí nghiệm, các thông số cần đo..................................................................80
6.3 Thiết bị đo và đối tượng thí nghiệm............................................................................80
6.4 Quy trình thí nghiệm....................................................................................................82
6.5 Kết quả thí nghiệm......................................................................................................83
CHƯƠNG 7. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ......................................................90
7.1 Mô phỏng quá trình tăng tốc......................................................................................90
7.2 Mô phỏng theo chu trình di chuyển............................................................................91
7.2.1 Chu trình NEDC.......................................................................................................91
7.2.2 Chu trình WLTP.......................................................................................................93
7.2.3 Chu trình đường Hà Nội..........................................................................................94
7.3 Đánh giá hoạt động hộp số AT6.................................................................................95
7.3.1 Quá trình tăng tốc...................................................................................................95
7.3.2 Di chuyển theo các chu trình lái..............................................................................95
KẾT LUẬN.......................................................................................................................97
TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................................98
LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành đồ án này,chúng em xin được gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới Thầy: PGS.TS. ………...….. - những người thầy đã tận tình hướng dẫn, định hướng và đồng hành cùng chúng em để đồ án đạt được kết quả như mong đợi.
Chúng em xin chân thành cảm ơn các giảng viên thuộc Bộ môn Ô tô và Xe chuyên dụng - Trường Cơ khí - Đại học Bách Khoa Hà Nội đã luôn tận tâm giảng dạy, hỗ trợ và tạo mọi điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình học tập và thực hiện đồ án. Cảm ơn sự giúp đỡ của bạn bè, người thân, cũng như tất cả các thành viên trong nhóm đồ án ô tô kì này - những người đã luôn nhiệt tình hỗ trợ, góp ý và đồng hành cùng chúng em vượt qua những khó khăn trong quá trình hoàn thiện đề tài.
Nhờ những điều kiện thuận lợi và sự giúp đỡ quý báu đó, đề tài đồ án tốt nghiệp “Thiết kế và đánh giá hoạt động của hộp số AT 6 cấp” đã thu được những kết quả tích cực.
Tuy nhiên, do thời gian thực hiện có hạn và nội dung nghiên cứu trải rộng trên nhiều lĩnh vực chuyên môn của ngành Kỹ thuật Ô tô, nên không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự góp ý, phản biện từ các thầy cô, anh chị và bạn bè để đồ án ngày càng hoàn thiện hơn trong quá trình phát triển tiếp theo.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày … tháng … năm /20…
Sinh viên thực hiện
(Sinh viên ký)
1./ …………………
2./ …………………
TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỒ ÁN
Đồ án với đề tài “Thiết kế và đánh giá hoạt động của hộp số AT 6 cấp” được thực hiện với mục tiêu nghiên cứu tổng quan hệ thống truyền lực, thiết kế hộp số tự động, và xây dựng mô hình mô phỏng để đánh giá hiệu suất làm việc của hộp số trên phần mềm chuyên dụng. Nội dung đồ án bao gồm 6 chương chính:
Chương 1: Tổng quan.
Trình bày nhiệm vụ, cấu tạo và phân loại hệ thống truyền lực ô tô. Nghiên cứu tổng quan về hộp số tự động, các dạng hộp số hành tinh, ưu nhược điểm, cũng như yêu cầu thiết kế phù hợp với xe tham khảo.
Chương 2: Phương án thiết kế.
Phân tích các phương án thiết kế bộ truyền hành tinh. Lựa chọn cấu hình hộp số sử dụng tổ hợp ba hệ hành tinh Wilson để đảm bảo hiệu quả truyền lực và đáp ứng yêu cầu thiết kế.
Chương 3: Tính toán động lực học.
Xây dựng đặc tính động cơ và chọn biến mô thủy lực phù hợp. Tính toán tỉ số truyền của hệ thống truyền lực và đồ thị đặc tính kéo của xe.
Chương 4: Tính toán động học hộp số hành tinh.
Thành lập phương trình động học, xác định tỷ số truyền từng cấp số. Tính toán tỷ số răng, kích thước bánh răng, kiểm nghiệm độ bền và xác định các thông số hình học của hộp số.
Chương 5: Mô phỏng hộp số tự động 6 cấp.
Xây dựng mô hình mô phỏng hộp số trên phần mềm AMESIM và SIMULINK, thiết lập điều kiện hoạt động và hệ thống điều khiển nhằm đánh giá khả năng làm việc của hộp số.
Chương 6: Thí nghiệm xác định quy luật chuyển số.
Xây dựng quy trình thí nghiệm và đưa ra kết quả thí nghiệm thực tế thu được, sau đó có thể xác định được quy luật chuyển số của xe. Từ đó kiểm tra tính đúng đắn của mô hình mô phỏng trên phần mềm AMESIM và SIMULINK so với thực tế.
Chương 7: Kết quả mô phỏng và đánh giá.
Phân tích kết quả mô phỏng thu được, đánh giá hiệu quả hoạt động của hộp số và so sánh với lý thuyết để kiểm chứng tính chính xác và tính khả thi của mô hình đã thiết kế.
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1 Nhiệm vụ của hệ thống truyền lực trên ô tô
Hệ thống truyền lực trên ô tô là tập hợp các cơ cấu cơ khí và thuỷ lực có chức năng truyền và biến đổi mômen xoắn từ động cơ đến các bánh xe chủ động. Cụ thể, hệ thống này bao gồm các cơ cấu đảm nhiệm việc truyền lực, ngắt truyền động, đổi chiều chuyển động, và điều chỉnh giá trị mômen phù hợp với yêu cầu vận hành.
Các nhiệm vụ chính của hệ thống truyền lực bao gồm:
- Truyền và biến đổi mômen xoắn và tốc độ quay từ động cơ tới bánh xe chủ động nhằm đảm bảo sự phù hợp giữa chế độ làm việc tối ưu của động cơ và mômen cản phát sinh trong quá trình ô tô chuyển động.
- Cho phép ngắt dòng truyền lực trong những khoảng thời gian cần thiết (ngắn hạn hoặc dài hạn).
- Đảo chiều chuyển động của xe, tạo điều kiện cho ô tô vận hành lùi.
- Tăng khả năng vận hành linh hoạt, đảm bảo tính năng vượt địa hình và tính êm dịu khi vận hành trên các loại đường khác nhau.
1.3. Giới thiệu tổng quan về hộp số tự động
Hộp số tự động hiện đại bao gồm hai thành phần chính: cụm hộp số và hệ thống điều khiển thuỷ lực, kết hợp với bộ vi xử lý điện tử. Hệ thống điều khiển điện tử thủy lực phức hợp đóng vai trò thực hiện các thao tác đóng ngắt và thay đổi tỉ số truyền một cách tự động, thông qua việc kiểm soát các cơ cấu bên trong hộp số.
Trong cấu hình điển hình của hệ thống truyền lực, bộ biến mô thuỷ lực được tích hợp nhằm tăng mômen truyền đến các bánh xe chủ động. Thông thường, biến mô trên ô tô có khả năng khuếch đại mômen trong khoảng từ 1,6 đến 2,5 lần so với mômen đầu ra của động cơ. Tuy nhiên, biến mô đơn thuần không thể đáp ứng đầy đủ yêu cầu vận hành, do đó thường được kết hợp với hộp số cơ khí (dạng có cấp hoặc vô cấp) để tối ưu hóa khả năng truyền lực.
1.4 Phân loại hộp số tự động
1.4.1. Theo cách bố trí trên phương tiện
Tùy theo cấu hình động cơ và dẫn động của ô tô, hộp số tự động có thể được thiết kế với các đặc điểm cấu trúc khác nhau để tối ưu hóa không gian, hiệu suất truyền lực và trọng lượng tổng thể của xe. Có hai kiểu bố trí phổ biến như sau:
- Hộp số tự động sử dụng trên ô tô FF (Front-engine, Front-wheel-drive):
Đây là cấu hình trong đó động cơ được bố trí ở phía trước xe và truyền lực trực tiếp đến cầu trước.
- Hộp số tự động sử dụng trên ô tô FR (Front-engine, Rear-wheel-drive):
Trong cấu hình này, động cơ được đặt phía trước, trong khi cầu sau đảm nhận vai trò truyền lực chính. Hộp số được nối với động cơ qua trục các-đăng và dẫn truyền mô-men đến bộ vi sai đặt ở cầu sau.
1.4.3. Theo phương pháp điều khiển
Về mặt điều khiển, hộp số tự động có thể được chia thành hai loại chính dựa theo mức độ tích hợp của hệ thống điện tử:
- Hộp số tự động truyền thống (cơ khí – thủy lực):
Các tín hiệu điều khiển như vị trí bướm ga, tốc độ xe, áp suất thủy lực được sử dụng để xác định thời điểm và cách thức chuyển số. Việc chuyển số được điều khiển chủ yếu bởi các van cơ khí – thủy lực, phản ứng theo áp suất và lực ly tâm. Loại này có độ tin cậy cao nhưng khả năng thích ứng kém và ít tùy biến.
- Hộp số tự động điều khiển điện tử (Electronic Automatic Transmission – EAT):
Là loại hộp số tự động hiện đại nhất hiện nay, sử dụng ECU (Electronic Control Unit) để tính toán và điều khiển chính xác các thao tác chuyển số dựa trên nhiều thông số đầu vào như tốc độ động cơ, tải trọng, góc mở bướm ga,
1.6 Yêu cầu thiết kế hộp số tự động cho xe bán tải
Dòng xe bán tải có đặc điểm tải trọng thay đổi trong phạm vi rộng, hoạt động trên nhiều loại địa hình, bao gồm cả đường off-road và vận chuyển hàng hóa. Do đó, hộp số được thiết kế cần đáp ứng các yêu cầu sau:
- Quá trình chuyển số diễn ra nhanh chóng, êm dịu, chính xác, không gây giật hoặc phát sinh tiếng ồn.
- Dải tỉ số truyền hợp lý, khai thác tối ưu công suất động cơ, nâng cao khả năng tăng tốc và hiệu suất vận hành.
- Tiết kiệm nhiên liệu tối đa trong mọi chế độ vận hành.
- Kết cấu thuận tiện cho việc bảo dưỡng, sửa chữa và chẩn đoán kỹ thuật.
- Độ bền và độ tin cậy cao, phù hợp với điều kiện vận hành khắc nghiệt.
- Kích thước nhỏ gọn, trọng lượng tối ưu nhằm tăng khoảng sáng gầm xe, nâng cao khả năng vượt địa hình và giảm tổng khối lượng xe.
1.7 Giới thiệu sơ đồ hộp số trên xe toyotahilux 2018 2.4L 6AT.
Toyota Hilux 2018 phiên bản động cơ diesel 2.4L sử dụng hộp số tự động thủy lực loại có cấp, ký hiệu 6AT (6-speed Automatic Transmission). Đây là loại hộp số tự động 6 cấp với bộ truyền hành tinh kép, tích hợp biến mô thủy lực và được điều khiển hoàn toàn bằng hệ thống thủy lực – điện tử kết hợp (mechatronic system). Cấu trúc hộp số trên xe được thiết kế tối ưu hóa cho các ứng dụng bán tải, đòi hỏi khả năng vận hành mạnh mẽ, độ bền cao và tính linh hoạt trong nhiều điều kiện địa hình và tải trọng.
1.7.1 Cấu trúc tổng thể
Hộp số 6AT trên Hilux gồm các bộ phận chính như sau:
- Bộ biến mô thủy lực (Torque Converter): Làm nhiệm vụ khuếch đại mô-men xoắn và giảm xung lực từ động cơ trong quá trình khởi động hoặc tăng tốc. Biến mô này có tích hợp khớp khóa biến mô (Lock-up Clutch) nhằm gia tăng hiệu suất truyền lực tại tốc độ trung bình – cao.
- Ba cụm bộ truyền hành tinh (planetary gear sets): Tổ hợp ba bộ truyền hành tinh đơn và kép, phối hợp cùng các ly hợp (clutch) và phanh (brake band) để tạo ra 6 cấp tiến và 1 cấp lùi, tương ứng với các tỷ số truyền khác nhau.
- Các ly hợp và phanh điều khiển thủy lực: Gồm nhiều cụm ly hợp đĩa ướt và phanh vòng hãm, được điều khiển bằng van điện từ theo tín hiệu từ ECU hộp số, cho phép chuyển số mượt mà và chính xác.
1.7.2 Sơ đồ nguyên lý
Sơ đồ nguyên lý của hộp số 6AT trên Toyota Hilux 2.4L bao gồm:
- Một bộ biến mô 3 phần tử (pump, turbine, stator) có cơ cấu khóa biến mô;
- Bộ truyền hành tinh gồm 3 cụm:
+ Bộ hành tinh đơn số 1 (Simple planetary gear set 1)
+ Bộ hành tinh đơn số 2 (Simple planetary gear set 2)
+ Bộ hành tinh đơn số 3 (Simple planetary gear set 3)
- Clutch C1, C2
- Brake B1, B2, B4
- One-way clutch (khớp 1 chiều) F
1.7.4 Tỷ số truyền và đặc tính vận hành
Hộp số 6AT trên Hilux có dải tỷ số truyền rộng, hỗ trợ khả năng khởi động mạnh mẽ ở số 1 và tiết kiệm nhiên liệu ở tốc độ hành trình (cruising) với tỷ số truyền cao nhất là 0.58.
Với hộp số này, xe có khả năng vận hành linh hoạt trên nhiều loại địa hình, đồng thời vẫn đảm bảo hiệu quả tiêu thụ nhiên liệu tối ưu nhờ tích hợp điều khiển điện tử và cơ cấu khóa biến mô.
1.8 Giới thiệu phần mềm Amesim và Matlab trong mô phỏng hộp số
1.8.1 Tổng quan về mô phỏng hộp số ô tô
Hộp số là một trong những thành phần quan trọng bậc nhất của hệ thống truyền lực, có nhiệm vụ biến đổi và truyền mômen xoắn từ động cơ tới bánh xe chủ động sao cho phù hợp với từng tình huống vận hành: khởi động, tăng tốc, vượt dốc, giảm tốc hoặc duy trì hành trình ổn định. Trong quá trình thiết kế hộp số, việc thử nghiệm bằng phương pháp thực nghiệm (dưới dạng lắp đặt thử, kiểm tra trong điều kiện tải trọng cụ thể) là không chỉ tốn kém mà còn tiềm ẩn rủi ro về an toàn, đồng thời hạn chế về khả năng linh hoạt trong thay đổi thiết kế.
Sự xuất hiện của phần mềm mô phỏng hệ thống cơ – điện – thủy lực đa miền đã cho phép thay thế đáng kể các giai đoạn thử nghiệm vật lý bằng các mô phỏng số chính xác.
Hai công cụ tiêu biểu được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực này là AMESim – phần mềm chuyên dụng cho mô hình vật lý và MATLAB/Simulink – nền tảng lập trình và mô phỏng thuật toán điều khiển. Khi kết hợp cùng nhau, chúng tạo thành một hệ sinh thái mô phỏng mạnh mẽ, hỗ trợ đầy đủ từ thiết kế cơ khí, đánh giá động lực học cho đến tối ưu chiến lược điều khiển và đồng bộ vận hành.
1.8.3 Giới thiệu phần mềm MATLAB/Simulink
MATLAB (Matrix Laboratory) và Simulink là bộ công cụ phát triển bởi MathWorks, nổi tiếng trong lĩnh vực tính toán kỹ thuật, mô phỏng hệ thống động lực học và phát triển thuật toán điều khiển. Trong ứng dụng mô phỏng hộp số, MATLAB/Simulink được dùng để phát triển và kiểm tra các chiến lược điều khiển thông minh dựa trên dữ liệu đầu vào từ cảm biến và mô hình hộp số thực tế.
Các ứng dụng chính trong mô phỏng hộp số bao gồm:
- Thiết kế thuật toán điều khiển chuyển số dựa trên tốc độ xe, tải trọng, vị trí bướm ga và các yếu tố ngoại vi.
- Điều khiển khóa biến mô để tối ưu hóa hiệu suất ở từng dải tốc độ và tải trọng.
- Mô phỏng kịch bản vận hành đầy đủ với sự tích hợp giữa động cơ, hộp số, hệ thống truyền lực và mô hình tải.
- Phân tích kết quả thông qua công cụ biểu đồ, thống kê, FFT, logic điều kiện, từ đó tinh chỉnh các thông số điều khiển như thời điểm sang số, độ trễ, tốc độ tăng áp thủy lực...
1.8.4 Lợi ích của việc kết hợp AMESim và MATLAB/Simulink
Việc kết hợp AMESim và MATLAB/Simulink trong mô phỏng hộp số tự động mang lại hệ sinh thái mô phỏng toàn diện, đáp ứng đầy đủ yêu cầu từ thiết kế, đánh giá đến hiệu chỉnh và kiểm tra hệ thống điều khiển. Cụ thể:
- Đồng thời mô phỏng vật lý và điều khiển:
AMESim đảm nhiệm phần mô phỏng vật lý chi tiết (truyền động cơ học, biến mô, hệ thủy lực...), trong khi MATLAB/Simulink thực hiện phần logic điều khiển điện tử, giúp mô phỏng hệ thống một cách toàn vẹn.
- Tối ưu hóa hiệu suất điều khiển:
Các chiến lược điều khiển có thể được kiểm nghiệm trực tiếp trong môi trường mô phỏng gần với thực tế, giúp điều chỉnh các thông số như thời điểm sang số, thời gian đóng ly hợp, điều kiện khóa biến mô... để đạt hiệu suất cao nhất.
- Tiết kiệm thời gian và chi phí thử nghiệm:
Mô phỏng cho phép kiểm tra hàng trăm kịch bản vận hành khác nhau (địa hình, tải trọng, tốc độ...) trong thời gian ngắn, loại bỏ rủi ro trong giai đoạn thử nghiệm thực tế.
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
2.1 Các bộ truyền hành tinh cơ bản.
2.1.1 Bộ truyền hành tinh Wilson.
Được cấu tạo từ ba phần tử cơ bản có cùng trục quay gồm một bánh răng mặt trời, một bánh răng bao và một cần dẫn. Các bánh răng hành tinh quay trơn trên cần dẫn ăn khớp đồng thời với bánh răng mặt trời và bánh răng bao, đóng vai trò như phần tử trung gian nối giữa ba phần tử cơ bản.
Các phần tử của CCHT Wilson có 2 ràng buộc về hình học và 2 ràng buộc về động học:
rC wC=rS wS+rP wP,rC=rS+rP
rR wR=rC wC+rP wP,rR=rC+rP
(1+Z) wC=wS+Z.wR
2.1.2. Bộ truyền hành tinh Simpson.
CCHT Simpson gồm hai CCHT cơ bản Wilson. Các phần tử M1, N1, H1, G1 (S1, R1, P1, C1) thuộc dãy hành tinh thứ nhất; M2, N2, H2, G2 (S2, R2, P2, C2) thuộc dãy hành tinh thứ hai. Chúng được ghép nối với nhau như hình vẽ:
Rút ra được các ràng buộc về động học và hình học của các phần tử trong CCHT Simpson:
rc1 w_c1=rS1 ωS1+rP1 ωP1,rC1=rS1+rP2
rR1 wR1=rc1 ωc1+rP1 ωP1,rR1=rC1+rP2
rc2 wR1=rs2 ωs+rP2 ωP2,rC2=rS2+rP2
rR2 wR2=rC2 ωR1+rP2 ωP2,rR2=rC2+rP2
Từ hệ phương trình liên kết trên, chỉ cần xác định được chuyển động của 2 phần tử trong cả CCHT là có thể xác định được chuyển động của cả cơ cấu. Do đó, CCHT Wilson gồm 2 bậc tự do.
2.1.3 1Bộ truyền hành tinh Ravigneaux
Cấu tạo của CCHT kiểu ravigneaux gồm 2 bánh răng mặt trời M1 (S1), M2 (S2) nối với 2 trục khác nhau. Hai nhóm bánh răng hành tinh H1 (P1), H2 (P2) ăn khớp với nhau và nằm trên một giá hành tinh G (C), một bánh răng bao N (R) ăn khớp với H2 còn H1 ăn khớp với M2. Sơ đồ cấu tạo như hình vẽ.
Từ các ràng buộc trên và đặc tính của dãy hành tinh cơ bản Wilson Z1 = rR/rS1 và dãy hành tinh bánh răng hành tinh kép Z2 = rR/rS2, có được hệ phương trình liên kết các phần tử cơ bản của CCHT Ravigneaux như sau:
ωS1+Z1.ω_R-(Z1+1).ωC=0
-ωS2+Z2.ωR-(Z2-1).ωC=0
Từ hệ phương trình liên kết trên, nhận thấy chỉ cần xác định được chuyển động của 2 phần tử trong đó là xác định được chuyển động của toàn bộ CCHT Ravigneaux. Do đó, CCHT Ravigneaux có 2 bậc tự do.
Khi đã xác định được số bậc tự do của các CCHT, nhận thấy số bậc tự do của CCHT nhỏ hơn so với số phần tử cơ bản của từng CCHT riêng biệt nên luôn luôn có thể tạo ra được nhiều số truyền bằng cách thay đổi lần lượt các phần tử điều khiển được trong CCHT đang xét, tức là thay đổi đầu ra, đầu vào của hộp số. Tuy nhiên, khi thực hiện sẽ khiến kết cấu của hộp số phức tạp. Do đó, với những CCHT đặt ở cuối hộp số thì đầu ra thường cố định, không thay đổi, trong khi đó, đầu vào hộp số có thể thay đổi bằng các ly hợp khóa. Như vậy, khả năng tạo tỉ số truyền tối đa của các CCHT đã giảm xuống. Để có được số lượng số truyền mong muốn cần sử dụng nhiều CCHT khác nhau trong hộp số.
Một hộp số được tổ hợp từ CCHT Wilson và CCHT Simpson hoặc Ravigneaux sẽ có 4 bậc tự do. Sau khi liên kết các phần tử trong đó theo ý đồ có sẵn thì số bậc tự do này giảm xuống, đồng thời số PTĐK tham gia trong một số truyền cũng giảm xuống, tạo điều kiện để có thể giảm tối đa số lượng các PTĐK.
Dựa trên những hiểu biết trên, đề tài đưa ra một số dạng sơ đồ động học đã được tổ hợp của hộp số hành tinh 5 số tiến dưới đây để tiến hành so sánh ưu nhược của các dạng sơ đồ đó nhằm lựa chọn một sơ đồ tối ưu cho tính toán thiết kế.
2.2. Các phương án thiết kế bộ truyền hành tinh.
2.2.1. 1Hộp số hành tinh tổ hợp của 3 hệ hành tinh Wilson.
Tổ hợp 3 hệ Wilson. Sau khi tham khảo tài liệu, quyết định chọn phương án thiết kế giống với tài liệu mà Toyota cung cấp. Sơ đồ hộp số trên gồm 6 số giúp chuyển số mượt mà, cung cấp dải tỉ số truyền khai thác hết được công suất động cơ.
Tổ hợp này đem lại 6 số truyền với 6 cơ cấu điều khiển là ly hợp C1, C2, 3 phanh dải B1, B2,B4, cùng với 1 khớp 1 chiều F. R là bánh răng bao, S là bánh răng mặt trời, P là bánh răng hành tinh
CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC
3.1 Các thông số của xe được chọn.
Xe được lựa chọn để tham khao tính toán hộp số tự động là xe bán tải Hilux 2018
Hình ảnh về xe được chọn để tham khảo.
3.2. Đồ thị đặc tính tốc độ ngoài của động cơ.
Đường đặc tính tốc độ ngoài của động cơ là đường biểu thị mối quan hệ giữa công suất động cơ Ne, mômen động cơ Me theo số vòng quay trục khuỷu ne .
Ta sử dụng động cơ giới hạn số vòng quay: Nemax= 110 (kW).
Đối với động cơ diesel 4 kỳ ta có các hệ số sau: a = 0,84 b = 1,53 c = 1,37
Thay các số liệu vào công thức (3.1) và (3.2) ta được bảng và đồ thị như hình dưới.
3.3. Tính chọn biến mô.
3.3.1. Các thông số cơ bản của biến mô.
Hệ số biến mô thuỷ lực phụ thuộc vào điều kiện làm c của ôtô khi. Khi lực cản chuyển động tăng lên, vận tốc ôtô giảm xuống do đó số vòng quay của trục tuabin giảm xuống dẫn đến MT tăng lên do vậy Kbmtăng lên.Hệ số biến mô Kbm có giá trị lớn nhất khi bánh tuabin bị hãm lại hoàn toàn nghĩa là nT=0 Ngược lại khi lực cản giảm đi, vận tốc của ôtô tăng lên thì hệ số biến mô giảm xuống. Vậy tính chất tự động làm việc thay đổi mômen xoắn của biến mô thuỷ lực là do tác động của dòng chất lỏng lên các cánh tuabin bị thay đổi khi số vòng quay thay đổi.
3.3.3. Tính toán và chọn biến mô thủy lực.
Chọn kích thước thiết kế của biến mô thuỷ lực được tiến hành trên cơ sở dùng phương pháp “tương tự ”. Theo phương pháp này, với chế độ “dừng lại” tương ứng khi phanh bánh tuabin biểu diễn các điểm làm việc đồng thời của biến mô thuỷ lực và động cơ ( MB =Me và nB = ne ) thì đường kính thiết kế của biến mô
M1 : Mômen trên trục vào của biến mô (bánh B), trong trường hợp này ta lấy M1 = Memax= 400 (N.m) là mômen lớn nhất của động cơ phát ra.
λ : Hệ số mômen của biến mô: λ = 3,19.10-6 (ph2/vg2). (theo đồ thị đặc tính không thứ nguyên của biến mô)
γ : Trong lượng riêng của dầu biến mô trong buồng công tác, với dầu trong ở đây ta dùng dầu Dixon II có γ = 8500 (N/m3) .
nb : Số vòng quay tại điểm mà mômen lớn nhất nb = 2000 (vg/ph)
Thay tất cả vào công thức (2.1) ta có : D0 = 0,32 (m)
* Các thông số của biến mô thuỷ lực được chọn:
Độ nhạy của biến mô thủy lực: П = 2.24
Đường kính của biến mô thuỷ lực : Da = 320 (mm)
Hiệu suất của biến mô : ηmax = 0,91
Trọng lượng riêng của dầu trong biến mô : γ = 8500 (N/m3)
Hệ số biến đổi mômen lớn nhất: Kmax = 2
Nhận xét : Lấy biến mô với D = 0,32 (m). Với biến mô, khi hệ số biến mô lớn sẽ giúp nâng cao hiệu suất của biến mô và khiến thời điểm li hợp biến mô khóa diễn ra ở tỉ số truyền i nhỏ hơn. Do đó, lựa chọn loại biến mô có hệ số biến mô Kbmmax = 2 để tính toán.
3.3.4. Xây dựng đường đặc tính trên trục vào của biến mô.
Đường đặc tính trên trục vào của biến mô là đường biểu diễn mối quan hệ giữa mômen trên trục chủ động của bánh bơm M1 theo số vòng quay của nó:
M1 = f(n1, λ)
Ta có công thức biểu diễn mối quan hệ đó:
M1 = λ1.γ.n .D
Căn cứ vào chủng loại xe mà ta thiết kế hộp số tự động, công suất, mômen của động cơ đặt trên xe, đường kính ngoài Da và tham khảo một số loại biến mô ta chọn được loại biến mô loại nhạy có đường đặc tính không thứ nguyên như đồ thị dưới đây.
Chia dải tốc độ số vòng quay n1 từ 0 ÷ 4500 vg/ph . Thay các giá trị trên vào công thức (2.4) ta được các giá trị trong bảng :
Từ đồ thị nhận thấy ứng với từng giá trị của λ1 theo tỷ số truyền ibm xác định tập hợp đường M1. Khi vẽ đồ thị đặc tính trên trục vào của biến mô M1 và đồ thị đặc tính ngoài động cơ Me cùng một tỷ lệ thì các giao điểm của đương M1 và Me là các giao điểm A(n,M). Điểm A là điểm làm việc đồng bộ của động cơ và biến mô thuỷ lực, điểm A là một tập hợp điểm tuỳ theo chế độ tải trọng trong khoảng tỷ số truyền của biến mô thuỷ lực ibm = 0 ÷ 1. Từ những giao điểm A xác định được trị số M và số vòng quay n của trục chủ động của biến mô tương ứng với các tỷ số truyền i đã chọn.
3.3.5. Xây dựng đường đặc tính trên trục ra của biến mô.
Đặc tính trên trục ra của động cơ và biến mô chính là đặc tính ngoài của động cơ mới mà ta sẽ dùng đặc tính này để xây dựng đặc tính kéo của ôtô.
Từ những giao điểm A = i, ta xác định được trị số M và số vòng quay n của trục chủ động của biến mô tương ứng với các tỷ số truyền i đã chọn.
Theo đường đặc tính không thứ nguyên của biến mô, với những giá trị i đã xác định ta sẽ tìm được các giá trị của M ,n và η. Với những thông số này ta sẽ xác định được các đại lượng n2, M2, N2 tương ứng theo các công thức sau đây :
n2 = ibm . n1
M2 = M .Kbm
N1 = M .n
N2 = N1.η
3.4. Xác định tỉ số truyền của hệ thống truyền lực.
Tỉ số truyền của hệ thống truyền lực trong trường hợp tổng quát được xác định theo công thức sau:
it = ih.if.i0
Trong đó:
ih: Tỉ số truyền của hộp số chính.
if: Tỉ số truyền của hộp số phụ hoặc hộp phân phối.
i0: Tỉ số truyền của truyền lực chính.
Với xe 1 cầu chủ động, truyền lực chính loại đơn, có if = 1.
3.4.1. Xác định tỉ số truyền của truyền lực chính.
Tỷ số truyền của truyền lực chính i0 được xác định từ điều kiện đảm bảo cho ôtô đạt được vận tốc cực đại ở tay số cao nhất của hộp số cơ khí khi xe chở đầy tải.
ifc : Tỉ số truyền của hộp số phụ hoặc hộp phân phối ở số truyền cao. Vì xe tham khảo là loại 1 cầu chủ động nên thường không sử dụng hộp số phụ. Lấy ifc = 1.
ihn: Tỉ số truyền của hộp số chính khi xe đạt vận tốc lớn nhất. Lựa chọn ihn = 0,58.
Vmax = 170 (km/h) = 47,22 (m/s)
Từ những thông số trên: ic = 4,1
3.4.2. Xác định tỉ số truyền của từng tay số trong hộp số.
a. Xác định tỉ số truyền ở số truyền số 1.
Tỷ số truyền ở tay số 1 cần phải chọn sao cho lực kéo tiếp tuyến phát ra ở các bánh xe chủ động của ôtô có thể khắc phục được lực cản tổng cộng lớn nhất của mặt đường. Từ phương trình cân bằng lực kéo khi ôtô chuyển động ổn định ta có .
Pkmax≥Ψmax⋅G+W⋅v2
Khi ôtô chuyển động ở số 1 thì vận tốc của nó nhỏ, do đó ta có thể bỏ qua lực cản của không khí.
θ : Góc vượt dốc lớn nhất : θ = 10,20
rb : Bán kính làm việc trung bình của bánh xe chủ động : rb = 0,37 (m).
i0 : Tỷ số truyền của truyền lực chính. i0 = 4,1
ifc: Xe không dùng hộp số phụ nên ifc = 1.
Mmax : Momen xoắn lớn nhất tác dụng lên trục vào của hộp số. Đối với động cơ có sử dụng biến mô thì momen xoắn lớn nhất thu được trên trục ra của bánh tua-bin. (trục bánh tuabin).
Mmax = 759,24 (N.m)
ηt : Với ôtô bán tải ta có ηt = 0,8
Thay vào công thức ta có: ih1 =0,94
Như vậy theo điều kiện bám thì tỷ số truyền ở số 1 được chọn : ih1 ≤ 3,68
Như vậy ihi cần phải thoả mãn 2 điều kiện trên. Ta chọn ih1 = 3,6 để tính toán tỷ số truyền của các tay số trung gian.
b. Xác định tỉ số truyền của các tay số trung gian.
Tỉ số truyền các số trung gian trong hộp số ô tô được chọn theo quy luật cấp số nhân. Với ih1 = 3,6 và ih5 = 0,58 có bước chuyển các cấp số truyền.
Do đó ta có tỉ số truyền của các tay số trung gian: ih2 = 2,5 ; ih3 = 1,73 ; ih4 = 1,2 ; ih5 = 0,83 ; ih6 = 0,58
Với hộp số tự động, số lùi chịu ảnh hưởng bởi số răng của các bánh răng trong hộp số. Bởi vậy, số lùi sẽ được tính toán sau.
CHƯƠNG 4. TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC HỘP SỐ HÀNH TINH
4.1Thành lập phương trình động học của hộp số.
Hình trên là kết cấu nguyên lý của CCHT Wilson, với bánh răng mặt trời S, bánh răng hành tinh P, bánh răng ngoại luân R ăn khớp với nhau và một cần dẫn C.
* Quan hệ động học của dãy hành tinh:
Phương trình động học của dãy hành tinh được viết dựa trên cơ sở xác lập mối quan hệ tốc độ góc tương đối giữa các cặp bánh răng khi dừng giá hành tinh C.
Đặt Z = RR/RS, Z được gọi là đặc tính của dãy hành tinh, dấu âm là để xác định chiều quay của R và S khi dừng giá hành tinh là ngược nhau. Sau khi biến đổi, có phương trình động học của cơ cấu vi sai như sau:
ωS+Z.ωR-(Z+1).ωC=0
Với công thức trên có thể xác định tốc độ góc của R, S và C khi biết khâu chủ động, khâu bị động và các liên kết trong các phần tử của dãy. Giá trị Z bị hạn chế bởi kích thước của bánh răng hành tinh và của kích thước chung. Giá trị Z thường nhận được từ 1,5 đến 4.
Nhận thấy, trên hộp số các bộ truyền hành tinh cơ sở có mối quan hệ động học song song với nhau, các chuyển động của các bộ phận trong hệ diễn ra một cách đồng thời.
Từ phương trình động học của bộ truyền hành tinh cơ sở, có mối quan hệ động học trong cả hộp số được biểu diễn trong hệ phương trình động học sau:
ωs1 +Z1.ωR1–(Z1 -1). ωc1=0
ωs2 +Z2.ωR2 –(Z2 -1). ωc2=0
ωs3 +Z3.ωR3 –(Z3 -1). ωc3=0
Từ hệ phương trình trên cùng các điều kiện đầu vào cho trước, có thể thành lập được các công thức tính tỉ số truyền các số truyền động học khác nhau của hộp số hành tinh.
4.2. Tính toán tỉ số truyền cho từng số truyền riêng biệt.
Hộp số được lựa chọn có đầu vào là các bánh răng mạt trời, đầu ra là cần dẫn C3.
* Số truyền 1:
C1 đóng, B4 đóng, F đóng do đó có ωR3 = 0, ωS3 = ωvào. Khâu truyền động là S3, cần dẫn số 3 (C3) và các bánh răng hành tinh trên các cần dẫn. Bánh răng S2 chạy không tải, không tham gia truyền chuyển động nên phương trình liên kết của bộ truyền bánh răng hành tinh có S2 có thể loại bỏ trong tính toán.
* Số truyền 2:
C1 đóng, B2 đóng. Dẫn đến ωR2 = ωC1 = 0; ωS3 = ωS2. Khâu truyền động là S2, S3,C2, C3, R3. Các bánh răng hành tinh làm nhiệm vụ nối giữa các khâu.
Do đó ta có hệ phương trình sau:
ωs1 +Z1.ωR1 –(Z1 -1). ωc1=0
ωs2 + Z2 .ωR2 –(Z2 -1). ωc2 =0
ωs3 +Z3. ωR3 –(Z3 -1). ωc3=0
ωR2 = ωC1 = 0; ωS3 = ωS2
* Số truyền 4:
C1, C2 đóng nên : ωS3 = ωS2 = ωvào ; ωR3 = ωC2 = ωvào. Khâu truyền động là S2, C2, S3, C3, R3 và các bánh răng hành tinh.
Lúc này bánh răng mặt trời S1 chạy không, không tham gia vào quá trình truyền nên có thể loại bỏ phương trình động học của bộ truyền cơ bản chứa bánh răng S1.
Do đó ta có hệ phương trình sau:
ωs3 +Z3. ωR3 –(Z3 -1). ωc3=0
ωS3 = ωS2 = ωvào ; ωR3 = ωC2 = ωvào
* Số truyền 6:
C2, B2 đóng. Do đó ωC2 = ωR3 = ωvào ; ωR2 = 0. Khâu truyền động là C2, R3, C3 và các bánh răng hành tinh.
Ta có:
ωs1 +Z1.ωR1 –(Z1 -1). ωc1=0
ωs2 + Z2 .ωR2 –(Z2 -1). ωc2 =0
ωs3 +Z3. ωR3 –(Z3 -1). ωc3=0
ωC2 = ωR3 = ωvào ; ωR2 = 0
* Số lùi:
B4 đóng, B1 đóng. Do đó: ωR1 = 0; ωS2 = ωC1 ; ωC2 = ωR3 = 0. Khâu truyền động là S1, C1, R2, S2, S3, C3 và các bánh răng hành tinh.
Ta có:
ωs1 +Z1.ωR1 –(Z1 -1). ωc1=0
ωs2 + Z2 .ωR2 –(Z2 -1). ωc2 =0
ωs3 +Z3. ωR3 –(Z3 -1). ωc3=0
ωR1 = 0; ωS2 = ωC1 ; ωC2 = ωR3 = 0
4.2.1. Bảng thống kê tỉ số truyền của từng tay số.
Bảng thống kê tỉ số truyền của từng tay số như bảng 41.
4.2.2. Tính toán tỉ số răng giữa các cặp bánh răng.
- Xét số truyền 1:
ih1 = Z3+1 = 3,6 Z3 = 2,6
Từ điều kiện đồng trục đối với bộ truyền ZR1 = ZS1 + 2.ZP1 có:
ZP1 = (ZR1 – ZS1)/2
Mặt khác, ZR1/ZS1 = 1,7. Thay vào phương trình trên:
ZP1 = ZR1/4,86
Tương tự như vậy:
ZP2 =ZR2/3,24
ZP3 =ZR3/3,25
4.3.4. Xác định các thông số hình học cơ bản của bộ truyền.
4.3.4.1. Xét bộ truyền Wilson.
Bề rộng bánh răng mặt trời:
bωS1 = dωS1.ψbd = 140,69.0,3 = 42,21 (mm). Lấy bωS1 = 44 (mm)
Tính sơ bộ đường kính lăn của bánh răng bao:
dωR1 = dωS1.Z1 = 140,69.1,7 = 239,18(mm)
Tính sơ bộ đường kính lăn của bánh răng hành tinh:
dωP1 = dωR1.4,86 = 49,24 (mm)
Do đó, khoảng cách trục sơ bộ là:
aω1 = (dωR1 – dωP1)/2 = 94,97 (mm)
Chọn mô-đun pháp tuyến cho bộ truyền Wilson cơ sở là m = 3. Chọn trước góc nghiêng răng β = 150.
Số răng bánh răng mặt trời :
ZS1 = dωS1.cosβ/m = 45,31 (răng )
Chọn ZS1 = 46 (răng)
Số răng của bánh răng bao:
ZR1 = ZS1.1,7 = 46.1,7 = 78,2 (răng)
Chọn ZR1 = 78 (răng)
Theo điều kiện đồng trục để đảm bảo các bánh răng đặt đúng tâm:
ZR1 = ZS1 + 2ZP1
ZP1 = (ZR1 - ZS1)/2 = (78 - 46)/2 = 16 (răng)
Tính lại đường kính vòng lăn của bánh răng hành tinh: Do bánh răng không dịch chỉnh nên đường kính vòng lăn dωP1 = dP1.
4.3.4.2. Xét bộ truyền Willson thứ 2
Vì hệ thống gồm 3 hệ bánh răng hành tinh Willson nối tiếp nhau nên ta chọn số răng bánh răng bao của 3 hệ bằng nhau.
ZR1 = ZR2 = ZR3 = 78
Vai trò của 2 hệ Willson phía sau là như nhau nên ta sẽ thiết kế chúng có thông số giống nhau
CHƯƠNG 5. MÔ HÌNH HỘP SỐ AT6
5.1 Giới thiệu phần mềm.
AMESim (Advanced Modeling Environment for Simulation of Engineering Systems) là phần mềm mô phỏng đa miền mạnh mẽ, chuyên dụng cho các hệ thống cơ điện tử, thủy lực, khí nén và truyền lực trên ô tô. Phần mềm này do hãng Siemens phát triển, hiện được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp ô tô, hàng không và các lĩnh vực kỹ thuật hệ thống phức tạp.
Ứng dụng của AMESim trong mô phỏng hộp bao gồm:
- Xây dựng mô hình động học, động lực học của hộp số tự động, bao gồm các thành phần như bộ truyền hành tinh, ly hợp, phanh, biến mô thủy lực.
- Mô phỏng tác động của hệ thống điều khiển thủy lực - điện tử lên quá trình đóng ngắt các cấp số.
- Thử nghiệm ảo các kịch bản vận hành khác nhau: tăng tốc, leo dốc, phanh động cơ, chuyển số dưới tải lớn...
- Đánh giá hiệu suất truyền lực, tổn thất năng lượng và xác định các thông số tối ưu cho hộp số phù hợp với đặc tính vận hành của xe bán tải.
5.2. Các thư viện và các khối trong Simcenter được sử dụng.
Thư viện Signal, Control
Thư viện IFP Drive.
Thư viện Powertrain
5.3. Chức năng của các khối chính.
Bên cạnh các khối có công dụng đơn giản rất ít hoặc không có các phương trình biểu diễn bên trong rất dễ hiểu và kiểm soát thì có các khối có chức năng phức tạp hơn được biểu diễn bởi nhiều phương trình cần chú ý khi cài đặt các thông số của nó
Dưới đây là bảng tổng hợp các khối cần chú ý đến các phương trình toán học bên trong để sử dụng.vc vv
5.3.1. Khối DRVICE01H
DRVICE01H là một mô hình con của động cơ đốt trong (ICE) với các trường hợp ứng dụng khác nhau:
- Mô-men xoắn
- Mô-men xoắn & mức tiêu thụ nhiên liệu
- Mô-men xoắn & mức tiêu thụ nhiên liệu & khí thải ô nhiễm
- Mô-men xoắn & mức tiêu thụ nhiên liệu & tổn thất nhiệt
- Mô-men xoắn & mức tiêu thụ nhiên liệu & tổn thất nhiệt & khí thải ô nhiễm
- Tùy chỉnh (tính toán do người dùng xác định)
5.3.2. Khối DRVDRVAT01
Đây là một mô hình mô phỏng xe. Cả cụm cầu trước và sau đều được mô hình hóa (cho phép ứng dụng 4x4) và người dùng có thể chọn giữa ba cấu hình xe:
+ đường: ma sát lăn, độ dốc đường và lực cản khí động học được tính đến
+ bàn thử lăn: hệ số ma sát của bàn thử lăn do người dùng xác định.
+ coast-down: từ tệp coast-down, thành phần tính toán hệ số ma sát của bàn thử lăn.
Hơn nữa, người dùng có thể chọn giữa hai cấu hình trượt dọc:
+ Không trượt: không trượt giữa lốp và mặt đất,
- Cổng 1 và 3 là các cổng tín hiệu nhận tương ứng các tín hiệu điều khiển phanh trước và sau [null]. Mô-men xoắn phanh cho mỗi bánh được xác định từ tín hiệu đầu vào.
- Cổng 2 và 4 là các cổng cơ học quay nhận mô-men xoắn dẫn động [Nm] và trả về vận tốc quay [vòng/phút] cho mỗi cổng ứng với mỗi cầu của xe.
- Cổng 5 là cổng cơ học chuyển dịch tiếp nhận lực bên ngoài [N] tác dụng lên xe và trả về độ dịch chuyển tuyến tính [m], vận tốc [m/s] và gia tốc [m/s2] của xe. Ta có thể coi lực đầu vào tại cổng 5 tương ứng với lực cản khi dương hoặc lực dẫn động khi âm.
- Cổng 6 và 7 là các cổng tín hiệu cần được kết nối với khối môi trường DRVENV01. Trong khối này chứa các thông số của môi trường khảo sát như nhiệt độ, vận tốc gió.
5.3.4. Khối TRDCB001
TRDCB001 là một mô hình con của bộ ly hợp nhiều đĩa hoặc phanh nhiều đĩa thường gặp trong hộp số tự động.
TRDCB001 biểu diễn lực ma sát giữa hai vật thể quay quanh một trục chung. Vì đây là mô hình ma sát nên không bao gồm bất kỳ quán tính nào và những quán tính đó có thể được thêm vào dưới dạng các mô hình con khác.
Cổng 1 và cổng 3 là các cổng cơ học quay và nhận vận tốc [vòng/phút] làm đầu vào và trả về mô men ma sát [Nm] truyền trong bộ ly hợp làm đầu ra.
Đầu vào tín hiệu trên cổng 2 cung cấp giá trị được sử dụng để tính mô men ma sát. Có 3 tùy chọn:
- Tùy chọn 1: Tín hiệu nằm trong khoảng từ 0 đến 1 và được coi là phân số để nhân với giá trị tối đa do người dùng cung cấp. Đầu vào '0' tương ứng với trạng thái ly hợp/phanh mở trong khi đầu vào '1' tương ứng với sự tham gia hoàn toàn (mô-men ma sát khô có thể truyền tối đa).
- Tùy chọn 2: Tín hiệu được coi là lực pháp tuyến (không âm) tính bằng Newton được nhân với hệ số ma sát do người dùng cung cấp và bán kính mà lực tác động.
- Tùy chọn 3: Tín hiệu được coi là mô-men ma sát tính bằng Nm trực tiếp. Giá trị dự kiến là không âm.
5.3.6. Khối DRVDRVAT01V01
Mô hình con này là một trình điều khiển thực hiện tính toán vị trí chân ga, phanh và cần số nhằm mục đích điều khiển xe bám theo vận tốc xác định từ trước như là các chu trình kiểm nghiệm NEDC,UDDS,WLTP … .
Vận tốc xe được xác định:
- Vận tốc là hàm theo thời gian,
- Vận tốc là hàm theo quãng đường dịch chuyển,
- Vận tốc là hàm theo biến tại cổng số 6,
Tương tự với mục tiêu vận tốc, điều khiển cần số cũng có thể được xác định theo nhiều cách:
- Theo chu trình đã chọn: chỉ được sử dụng nếu chọn trước chu trình vận tốc là hàm theo thời gian,
- Từ tệp dữ liệu dưới dạng hàm theo thời gian,
- Được tính toán bởi người lái mô phỏng (driver),
5.4. Xây dựng mô hình.
5.4.1. Mô hình trong AMESIM.
5.4.1.1. Bộ truyền hành tinh.
* Sơ đồ tham khảo:
Mô hình biểu diễn bộ truyền hành tinh của hộp số được xây dựng trong AMESIM
Khi ta cấp vào mô hình một tốc độ nhất định và cho các ly hợp và phanh hoạt động theo bảng làm việc của hộp số thì ta sẽ nhận được tín hiệu đầu ra là tốc độ của trục sơ cấp của hộp số ứng với mỗi tay số.
5.4.1.2. Mô hình hoạt động của xe trong AMESIM.
Ta thêm các mô hình con điể biểu diễn:
- Động cơ và ECU.
- Biến mô.
- Truyền lực cuối.
- Mô hình xe.
Các mô hình được kết nối với nhau theo sơ đồ mô phỏng trong AMESIM. Và cài đặt các tín hiệu điều khiển ở dạng nhập số để kiểm tra hoạt động của mô hình trước khi xây dựng thuật toán điều khiển.
Ta cấp vào mô hình con các thông số cơ bản để khảo sát
a. Động cơ và ECU
Tại các cổng 6 7 8 là các cổng biểu diễn nhiệt độ nước làm mát của động cơ, trong phạm vi đồ án này ta không khảo sát tới mà để nhiệt độ nước làm mát vào khoảng 105 độ C.
Ta nhập vào phần mềm đặc tính ngoài của động cơ.
c. Mô hình xe.
Trong đồ án này, ta khảo sát mô hình xe với bánh xe chỉ chịu lực theo hai phương là phương thăng đứng và phương dọc thân xe. Các loại cản chính được khảo sát chính là lực cản lăn và lực cản khí động.
Ta có các thông số của xe tham khảo Toyota Hilux 2.4E 4x2 AT6 2018.
d. Kết quả kiểm tra mô hình
Khi nhập vào mô hình sơ đồ chuyển số bất kỳ và cấp vào mô hinhg mức đạp ga 100% và thời gian khảo sát là 50 giây ta thu được kết quả sau.
Kết quả cho thấy mô hình đã thực hiện chuyển số đúng thời điểm với đúng tỉ số truyền.
5.4.2. Mô hình điều khiển
5.4.2.1. Thuật toán chuyển số
Thuật toán chuyển số chính là logic quyết định trạng thái hoạt động của hộp số cũng như của xe. Đây là phần quan trọng trong hệ thống điều khiển hộp số, thường được tích hợp trong TCU.
Nguyên lý chung của thuật toán chuyển số của hộp số tự động:
Thuật toán dựa vào các tín hiệu đầu vào được lấy từ các cảm biến trên xe để tính toán rồi đưa ra quyết định trạng thái hoạt động của hộp số.
Các tín hiệu đưa vào thuật toán để tính toán là:
- Tốc độ động cơ
- Tốc độ của xe
- Mức tải động cơ
- Một số thông số khác: nhiệt độ động cơ, chế độ lái, điều kiện phanh, …
Từ vận tốc của xe và mức tải của động cơ hiện tại TCU sẽ so sánh giữa vận tốc và mức tải của động cơ hiện tại với vận tốc và mức tải đã được lập trình sẵn để quyết việc có chuyển số hay không.
5.4.2.1. Xây dựng thuật toán chuyển số trong Matlab – Simulink
Khối Stateflow được gán tên ShiftLogic thực hiện chức năng lựa chọn số cho hộp số. Các biến được sử dụng để định nghĩa các đầu vào là chân ga (throttle) và tốc độ xe (vehicle speed), cùng với đầu ra là số mong muốn (gear). Hai trạng thái AND dạng nét đứt giữ vai trò theo dõi trạng thái số hiện tại và trạng thái của quá trình lựa chọn số.
Hành vi của thuật toán lựa chọn số có thể được quan sát trong quá trình mô phỏng bằng cách kích hoạt chế độ animation trong trình gỡ lỗi Stateflow. Trạng thái selection_state (luôn luôn hoạt động) bắt đầu bằng việc thực hiện các phép tính được chỉ định trong hàm during của nó. Mô hình tính toán các ngưỡng vận tốc cần thiết cho việc lên số (upshift) và xuống số (downshift) dựa trên các giá trị tức thời của số hiện tại (gear) và chân ga (throttle). Khi đang ở trạng thái steady_state, mô hình sẽ so sánh các giá trị này với vận tốc hiện tại của xe để xác định xem có cần thực hiện chuyển số hay không. Nếu có, mô hình sẽ chuyển sang một trong các trạng thái xác nhận (upshifting hoặc downshifting), đồng thời ghi lại thời điểm bắt đầu vào trạng thái này.
CHƯƠNG 6. THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH QUY LUẬT CHUYỂN SỐ
6.1 Mục đích của thí nghiệm.
Việc thiết kế và mô phỏng hộp số tự động 6 cấp (6AT) bằng các công cụ phần mềm như AMESim và MATLAB/Simulink đã tạo nên một nền tảng lý thuyết vững chắc để phân tích hiệu suất vận hành của hệ thống truyền động. Tuy nhiên, để đảm bảo tính chính xác, độ tin cậy, cũng như khả năng ứng dụng thực tiễn của mô hình mô phỏng, thì việc tiến hành thí nghiệm thực tế là yếu tố không thể thiếu.
Thông qua quá trình thí nghiệm, ta có thể:
- So sánh kết quả mô phỏng với dữ liệu thực nghiệm.
- Đánh giá mức độ sai lệch và xác minh độ chính xác của các mô hình động học
- Phát hiện những điểm chưa phù hợp, từ đó điều chỉnh các hệ số mô hình hóa để nâng cao độ tin cậy của mô phỏng.
- Đảm bảo rằng hộp số 6AT đáp ứng được các yêu cầu thực tế về:
+ Tăng tốc.
+ Mức tiêu thụ nhiên liệu
6.2. Kịch bản thí nghiệm, các thông số cần đo.
Để đánh giá đặc tính vận hành của hệ thống truyền lực và hành vi chuyển số của hộp số tự động các kịch bản mô phỏng được xây dựng với mục tiêu kiểm tra phản ứng của xe dưới các mức độ tác động bàn đạp ga khác nhau. Cụ thể, thí nghiệm được tiến hành với các giá trị đặt cho bàn đạp ga bao gồm: 10%, 20%, 30%, 40%, 50% và 100%.
Trong mỗi kịch bản, xe được tăng tốc từ trạng thái nghỉ (vận tốc ban đầu bằng 0) đến khi đạt trạng thái ổn định hoặc đến vận tốc mục tiêu xác định.
Các thông số cần đo.
- Phần trăm bàn đạp ga.
- Tốc độ xe.
- Vòng tua động cơ.
6.4. Quy trình thí nghiệm
Nhằm đảm bảo tính khách quan, độ tin cậy và độ chính xác của dữ liệu thu thập được trong quá trình đánh giá hệ thống truyền lực trên xe Toyota Hilux 2018 (động cơ 2.4L, hộp số tự động 6 cấp), quy trình thí nghiệm được xây dựng một cách có hệ thống, khoa học và tuân thủ các tiêu chuẩn kiểm thử trong điều kiện thực tế.
Toàn bộ quy trình thí nghiệm được chia thành ba giai đoạn chính như sau:
* Bước 1: Chuẩn bị thiết bị đo lường và phương tiện thí nghiệm
Trước khi tiến hành các kịch bản chạy thử, việc chuẩn bị đóng vai trò then chốt nhằm đảm bảo thiết bị hoạt động ổn định và phương tiện thử nghiệm đạt trạng thái kỹ thuật tiêu chuẩn.
Kết nối thiết bị đo: Sử dụng thiết bị chuẩn đoán OBD-II không dây (loại ELM327) kết nối với cổng dữ liệu chẩn đoán (OBD-II) trên xe. Thiết bị này cho phép thu thập các thông số hoạt động chính của hệ thống truyền lực thông qua phần mềm giám sát trên máy tính hoặc điện thoại thông minh.
* Bước 2: Tiến hành thí nghiệm theo kịch bản đã xây dựng
Xe được chạy trong điều kiện mặt đường bằng phẳng, ít giao thông nhằm hạn chế ảnh hưởng của yếu tố môi trường bên ngoài đến kết quả đo. Lần lượt thực hiện các kịch bản thí nghiệm với các mức tác động bàn đạp ga đặt trước (10%, 20%, 30%, 40%, 50% và 100%). Mỗi kịch bản được thực hiện độc lập, đảm bảo xe bắt đầu từ trạng thái tĩnh và được tăng tốc tự nhiên theo mức tải tương ứng, không can thiệp chuyển số bằng tay trong quá trình vận hành.
Các thông số từ thiết bị ELM327 sẽ được ghi nhận liên tục trong suốt quá trình vận hành, đảm bảo không có khoảng trống dữ liệu.
* Bước 3: Kiểm tra và xử lý dữ liệu sau mỗi lượt thử nghiệm
Ngay sau khi kết thúc từng kịch bản, dữ liệu được trích xuất, xử lý sơ bộ và kiểm tra tính toàn vẹn. Cụ thể:
- Xác minh độ đầy đủ của các thông số đo (tốc độ, vòng tua, bàn đạp ga, cấp số).
- Loại bỏ các dữ liệu bất thường (nếu có), ví dụ: nhiễu do mất kết nối tạm thời.
- Lưu trữ dữ liệu dưới định dạng phù hợp (CSV, Excel) để phục vụ cho giai đoạn phân tích và đánh giá sau cùng.
CHƯƠNG 7. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ
7.1 Mô phỏng quá trình tăng tốc.
Từ kết quả trên ta có thể thấy mô hình xe có thời gian tăng tốc từ 0 – 100 km/h trong khoảng 12s và đã chạy đúng với điều khiển và khớp với thực tế thí nghiệm.
Sai số trung bình của đồ thị vận tốc mô phỏng so với vận tốc thí nghiệm được là 4% và sai số vận tốc lớn nhất là 4,5 km/h ứng với 9%
7.2. Mô phỏng theo chu trình di chuyển.
7.2.1. 1Chu trình NEDC.
Chu trình NEDC (New European Driving Cycle) là một chu trình kiểm tra Ô tô theo tiêu chuẩn được phát triển để đánh giá mức tiêu thụ nhiên liệu, khí thải CO₂ và các khí thải ô nhiễm khác của ô tô
Xe ở mức tải nhẹ và chạy trong điều kiện phòng thí nghiệm.
Mục đích :
- Đo lượng tiêu thụ nhiên liệu.
- Xác định lượng CO2 thải ra.
Kết quả mô phỏng:
Từ kết quả trên có thể thấy mô hình đã chạy đúng với vận tốc điều khiển của chu trình.
Ta thấy mức tiêu hao nhiên liệu của mô hình là 7,653 lít/100 km đã khớp với mức tiêu hao nhiên liệu mà Toyota công bố khoảng 7,7 – 8,2 lít/100km.
7.2.3. Chu trình đường Hà Nội.
Tại Việt Nam, việc kiểm tra và công bố mức tiêu thụ nhiên liệu của ô tô được thực hiện theo quy định của Cục Đăng kiểm Việt Nam, nhằm cung cấp thông tin chính xác cho người tiêu dùng và phục vụ quản lý nhà nước về tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường. Hiện nay, phương pháp đo lường tiêu thụ nhiên liệu đối với các phương tiện ô tô được thực hiện trên cơ sở áp dụng các chu trình thử tiêu chuẩn, chủ yếu là Chu trình NEDC (New European Driving Cycle) và gần đây là WLTP (Worldwide harmonized Light vehicles Test Cycle), phù hợp với các quy định kỹ thuật quốc tế và thực tiễn giao thông tại Việt Nam.
Kết quả mô phỏng:
Từ kết quả trên tâ có thể thấy xe đã chạy đúng theo chu trình.
Ta thấy mức tiêu hao nhiên liệu của mô hình là 7,92 lít/100km đã khớp với mức tiêu hao nhiên liệu mà Toyota công bố từ 7,7 – 8,2 lít/100km.
7.3. Đánh giá hoạt động hộp số AT6.
7.3.1. Quá trình tăng tốc.
Mô phỏng tăng tốc là một trong những bước quan trọng nhằm kiểm tra khả năng đáp ứng động lực học của phương tiện khi chuyển từ trạng thái đứng yên sang chuyển động, đặc biệt trong các bài kiểm tra hiệu suất vận hành thực tế.
* Mục tiêu:
- Đánh giá khả năng tăng tốc của xe theo thời gian thực.
- So sánh kết quả mô phỏng với kết quả thực nghiệm để kiểm định độ chính xác của mô hình.
* Kết quả mô phỏng:
Từ kết quả đồ thị, ta thấy mô hình đã bám sát theo quá trình điều khiển tăng tốc,phản ánh chính xác đặc tính động học.
* Độ sai lệch giữa mô phỏng và thực nghiệm:
- Sai số trung bình của vận tốc mô phỏng so với vận tốc thực nghiệm: 4%
- Sai số cực đại: 4,5 km/h, tương ứng khoảng 9%
Các sai số này được đánh giá là nhỏ và hoàn toàn chấp nhận được trong mô phỏng thực nghiệm.
* Đánh giá kết quả:
- Mô hình có độ tin cậy cao trong tái hiện quá trình tăng tốc thực tế.
- Thời gian tăng tốc 0 - 100 km/h đạt 12 giây phù hợp với thông số kỹ thuật của các xe phổ thông, phản ánh hiệu suất vận hành đúng thực tế.
- Sai số nhỏ cho thấy hệ số mô hình hóa (hệ truyền động, lực cản, khối lượng, ma sát…) được hiệu chỉnh hợp lý.
- Mô phỏng tăng tốc thành công góp phần khẳng định mức độ chính xác tổng thể của mô hình khi được áp dụng trong các chu trình vận hành khác như NEDC, WLTP, và chu trình Hà Nội.
7.3.2. Di chuyển theo các chu trình lái.
Kết quả mô phỏng cho thấy mô hình đã theo sát các đặc điểm vận tốc yêu cầu trong từng chu trình lái:
- Trong chu trình NEDC, mô hình đáp ứng tốt các pha vận tốc thấp và cao, thể hiện khả năng mô phỏng điều kiện lái trong đô thị và đường trường.
- Chu trình WLTP, với yêu cầu vận tốc phức tạp và thay đổi liên tục, đã được mô phỏng chính xác, phản ánh năng lực xử lý các điều kiện thực tế.
- Chu trình đường Hà Nội, đại diện cho điều kiện giao thông nội đô Việt Nam, cũng được mô hình tái hiện chuẩn xác, đặc biệt phù hợp với nhu cầu ứng dụng trong nước.
* Khả năng ứng dụng:
- Mô hình có thể được sử dụng để:
+ Phân tích hiệu quả tiêu thụ nhiên liệu của xe trong điều kiện vận hành thực tế.
+ So sánh hiệu suất giữa các dòng xe hoặc cấu hình động cơ.
+ Hỗ trợ nghiên cứu, phát triển và kiểm chứng cải tiến về tiêu hao năng lượng.
- Chu trình Hà Nội giúp mô phỏng được đặc thù giao thông Việt Nam, làm tăng giá trị ứng dụng thực tiễn tại thị trường nội địa.
* Nhận xét tổng thể:
- Mô phỏng ba chu trình đều đạt độ chính xác cao, mô hình hoạt động ổn định, sai số nhỏ, kết quả phù hợp với thực tế.
- Mức tiêu hao nhiên liệu đạt được cho thấy xe vận hành hiệu quả trong các điều kiện khác nhau.
- Việc mô phỏng thành công chu trình Hà Nội chứng minh mô hình có tính ứng dụng cao trong môi trường Việt Nam.
KẾT LUẬN
Sau hơn 4 tháng thực hiện đồ án tốt nghiệp dưới sự hướng dẫn tận tình của Thầy: PGS.TS……………… cùng các giảng viên trong Bộ môn Ô tô và Xe chuyên dụng - Trường Cơ khí - Đại học Bách Khoa Hà Nội, nhóm sinh viên đã đạt được những kết quả như sau:
- Nắm bắt được cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống hộp số AT 6 cấp.
- Tính toán thiết kế hệ thống hộp số AT 6 cấp
- Thí nghiệm kiểm tra khả năng tăng tốc từ 0-100km/h.
- Thí nghiệm tìm ra quy luật chuyển số của hộp số AT 6 cấp
- Mô phỏng để đánh giá hiệu quả của thuật toán chuyển số và các mô phỏng cho các kết cấu trong hộp số thông qua kịch bản tăng tốc từ 0 lên 100km/h, từ đó kiểm tra động lực học của xe, đồng thời đánh giá được tính đúng đắn của mô hình.
- Mô phỏng mức tiêu hao nhiên liệu để đánh giá mức tiêu hao nhiêu liệu của xe (L/100km) của các chu trình tiêu chuẩn phổ biến: NEDC, Đăng Kiểm (WLTP) và đường Hà Nội.
Kết luận nhóm sinh viên đã hoàn thành các nhiệm vụ được giao trong đề tài tốt nghiệp.
Tuy nhiên do giới hạn về mặt thời gian, nhóm chưa tiến hành tối ưu lịch chuyển số cho phù hợp với điều kiện đường Việt Nam và cũng chưa tích hợp điều khiển thông minh vào quá trình chuyển số đây cũng là định hướng phát triển tiếp theo của đồ án.
Nhóm sinh viên rất mong nhận được các ý kiến đóng góp, phản biện từ thầy cô, các anh chị và bạn bè để đề tài được hoàn thiện hơn, phục vụ cho các nghiên cứu tiếp theo hoặc áp dụng trong thực tế sản xuất.
Một lần nữa, chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới Thầy: PGS.TS……………… cùng các giảng viên trong Bộ môn Ô tô và Xe chuyên dụng – Trường Cơ khí - Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình hướng dẫn, hỗ trợ và tạo điều kiện thuận lợi để nhóm có thể hoàn thành tốt đồ án này.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Tập bài giảng tính toán thiết kế ô tô - PGS.TS. Nguyễn Trọng Hoan
[2]. Cấu tạo hệ thống truyền lực ô tô con - PGS.TS. Nguyễn Khắc Trai - NXB KHKT,2005.
[3]. Nguyên lý máy, Tập 1 - Đinh Gia Tường, Tạ Khánh Lâm - NXBGD, 2005.
[4]. Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí, Tập 1 - Trịnh Chất, Lê Văn Uyển - NXBGD.
[5]. Lý thuyết ô tô máy kéo – Nguyễn Hữu Cẩn, Dư Quốc Thịnh, Phạm Minh Thái, Nguyễn Văn Tài, Lê Thị Vàng - NXB KHKT, 2007.
[6]. Hướng dẫn làm bài tập lớn lý thuyết ô tô - Lê Thị Vàng.
[7]. Tính toán thiết kế hộp số ô tô - Nguyễn Văn Tài.
[8. SHIM, Beom-Joo, et al. Work and speed based engine operation condition analysis for new European driving cycle (NEDC). Journal of mechanical science and technology, 2014, 28: 755-761.
"TẢI VỀ ĐỂ XEM ĐẦY ĐỦ ĐỒ ÁN"