Ứng dụng máy tính trong mô phỏng hộp số tự động trên ô tô

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ỨNG DỤNG MÁY TÍNH TRONG MƠ PHỎNG HỘP SỐ TỰ ĐỘNG TRÊN Ô TÔ NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN TRỌNG HẢI Sinh viên thực hiện: MSSV: Lớp: Hoàng Ngọc Tài 1711251485 17DOTA3 Trịnh Cơng Thành 1711251508 17DOAT3 Tp Hồ Chí Minh, ngày 26 tháng 09 năm 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ỨNG DỤNG MÁY TÍNH TRONG MƠ PHỎNG HỘP SỐ TỰ ĐỘNG TRÊN Ô TÔ NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN TRỌNG HẢI Sinh viên thực hiện: MSSV: Lớp: Hoàng Ngọc Tài 1711251485 17DOTA3 Trịnh Công Thành 1711251508 17DOAT3 Tp Hồ Chí Minh, ngày 26 tháng 09 năm 2021 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đồ án tốt nghiệp cơng trình nghiên cứu thân Những phần có sử dụng tài liệu tham khảo có đồ án liệt kê nêu rõ phần tài liệu tham khảo Đồng thời số liệu hay kết trình bày đồ án mang tính chất trung thực, khơng chép, đạo nhái Nếu sai tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm chịu tất kỷ luật Viện nhà trường đề Tp Hồ Chí Minh, Ngày 26 tháng 09 năm 2021 Sinh viên thực i LỜI CẢM ƠN Trong suốt trình học tập hoàn thành đồ án tốt nghiệp này, chúng em nhận hướng dẫn, giúp đỡ quý báu thầy cô, anh chị bạn Với lòng kính trọng biết ơn sâu sắc chúng em xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến Viện Kỹ Thuật Hutech trường Đại Học Công Nghệ TP.Hồ Chí Minh tạo điều kiện thuận lợi để giúp đỡ chúng em trình học tập hoàn thành đồ án tốt nghiệp TS Nguyễn Trọng Hải, người thầy kính mến hết lòng giúp đỡ, dạy bảo, động viên tạo điều kiện thuận lợi cho chúng em suốt trình học tập hoàn thành luận văn tốt nghiệp Chúng em muốn gửi lời cám ơn tới thầy tổ phản biện, người thầy đáng kính truyền đạt cho chúng em kiến thức, kỹ thực hành quý báu chuyên ngành công nghệ ô tô Chúng em xin gửi lời cám ơn tới tất thầy cô khoa, phòng trường Đại Học Cơng Nghệ TP.Hồ Chí Minh - người trước hành trình tìm tri thức, người hướng dẫn, hỗ trợ chúng em suốt bốn năm học đại học Cuối xin dành lời cảm ơn tới cha me, sinh nuôi dưỡng chúng ở bên cạnh động viên giúp đỡ chúng học tập làm việc hoàn thành đồ án ii MỤC LỤC Phiếu đăng ký tên đề tài ĐATN Phiếu giao nhiệm vụ Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh sách bảng vii Danh sách hình viii Lời mở đầu Chương 1: GIỚI THIỆU 1.1 Matlab Simulink 1.1.1 Matlab 1.1.1.1 Ngơn ngữ lập trình 1.1.1.2 Phạm vi ứng dụng Matlab 1.1.1.3 Một số thao tác Matlab 1.1.2 Simulink .5 1.1.2.1 Khái niêm 1.1.2.2 Một số thư viện công cụ Matlab Simulink 1.1.2.3 Một số khối Simulink .11 1.2 Stateflow 16 1.2.1 Giới thiệu Stateflow 16 1.2.2 Các đối tượng có Stateflow 18 1.2.2.1 State 18 1.2.2.2 Hệ thống phân cấp state 19 iii 1.2.2.3 Sự phân chia trạng thái (State Decomposition) 19 1.2.2.4 State labels 20 1.2.2.5 State actions 21 1.2.2.6 Transition 21 1.2.2.7 Conditions (Điều kiện) 22 1.2.2.8 Default transitions .22 1.2.2.9 History junction 23 1.2.2.10 Connective Junctions 24 1.2.3 Các khối Stateflow 24 1.2.3.1 Chart 24 1.2.3.2 State transition table 25 1.2.3.3 Truth table 26 1.2.3.4 Sequence viewer 26 1.3 Simscape 27 1.3.1 Tổng quan Simscape 27 1.3.2 Thư viện Simscape 29 1.3.2.1 Foundation library ( Thư viện tảng ) 29 1.3.2.2 Utilities library (Thư viện tiện ích) 32 1.3.2.3 Simscape Driveline 32 1.3.2.4 Simscape Electrical 35 1.3.2.5 Simscape Fluids 37 1.3.2.6 Simscape Multibody 39 Chương 2: TỔNG QUAN THỰC HIỆN CÁC PHƯƠNG PHÁP TRONG MATALAB .42 iv 2.1 Matlab Simulink 42 2.2 Stateflow 53 2.3 Simscape 70 Chương 3: SỬ DỤNG SIMULINK TRONG MÔ PHỎNG KỸ THUẬT Ô TÔ 90 3.1 Ứng dụng Simulink Stateflow vào mơ phỏng q trình chuyển số hộp số 90 3.1.1 Thuật toán điều khiển chuyển số 94 3.1.1.1 Điều khiển tăng số 94 3.1.1.2 Điều khiển giảm số 96 3.2 Sử dụng Simscape mô phỏng xe Fortuner với hệ thống sang số tự động .99 Chương 4: QUY TRÌNH THIẾT KẾ 110 4.1 Mơ hình mơ phỏng đợng q trình chuyển số hợp số tự đợng cấp số 110 4.1.1 Mô hình mơ phỏng 110 4.1.2 Xây dựng mợ hình Stateflow bộ điều khiển hộp số tự động 113 4.2 Mơ hình mơ phỏng xe Fortuner với hệ thống sang số tự động cấp số .118 4.2.1 Mô hình mơ phỏng 118 4.2.2 Xây dựng mợ hình Stateflow bộ điều khiển hộp số tự động 123 Chương 5: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG .125 5.1 Mơ hình mơ phỏng đợng q trình chuyển số hợp số tự động cấp số 125 5.2 Mơ hình mơ phỏng xe Fortuner với hệ thống sang số tự động cấp số .127 Chương 6: KẾT QUẢ, KẾT LUẬN 130 6.1 Kết luận 130 v Bảng khai báo liệu bên Chart Hình 4.13: Khai báo liệu bên Chart 4.2 Mơ hình mơ xe Fortuner với hệ thống sang số tự động cấp số 4.2.1 Mơ hình mơ Hình 4.14: Mơ hình tổng qt 118 Mơ hình Simscape bao gồm nhiều khối mơ phỏng vật lý, khối có cơng thức tính tốn có sẵn, sử dụng thông số thực tế để tượng trưng cho một bộ phận: động cơ, hộp số tự động cấp xe Đồng thời có thêm mợt khối Stateflow để mô phỏng bộ điều khiển chuyển số Mô hình sử dụng liệu đầu vào vị trí bàn đạp chân ga (góc mở bướm ga) momen phanh (lực phanh) Khối Generic Engine dùng để mô phỏng đợng đốt (đợng xăng diesel tuỳ chọn bên hộp thoại khối) Sử dụng thơng số đầu vào (cổng T) góc mở bướm ga (cổng F) tốc độ trục khuỷu động Cổng B nối với khối Mechanical Rotational Reference tượng trưng cho vỏ động Khối Torque Converter mô phỏng biến mô Khối Control Unit dùng để mơ phỏng hợp số tự đợng Hình 4.15: Mơ hình khối Control Unit 119 Ở ta có Subsystem để điều khiển chế độ số cho xe để tính lực ép cho ly hợp phanh bên hợp số Khối Switch nhận tín hiệu Gear để xuất tín hiệu điều khiển lực ép cặp ly hợp bên hộp số tự đợng Các khối Constant chứa tín hiệu nhị phân khối Switch chọn để gửi tín hiệu đến Subsystem Hình 4.16: Subsystem điều chỉnh chế đợ số Hình 4.17: Subsystem tính lực ép phanh 120 Hình 4.18: Mơ hình hợp số sử dụng cấu bánh hành tinh Ở mơ hình ta có khối Clutch mơ phỏng ly hợp bên hộp số tự động Các khối From chuyển tính hiệu lực ép để tác đợng lên ly hợp Các khối Planetary Gear mô phỏng hệ bánh mặt trời Các khối Clutch nối vào khối Mechanical Rotational Reference bó cứng cặp bánh ta ép ly hợp, khối Clutch nối vào cổng IN xoay đồng tốc với đầu vào hộp số ta ép ly hợp Mỗi số có mợt cặp ly hợp phanh kích hoạt để điều chỉnh tỷ số truyền khác hộp số xuất cổng OUT Khối Body mô phỏng phần khung bánh xe thông số cuối tốc độ xe 121 Hình 4.19: Mơ hình khối Body Trong mơ hình này, khối Double-Shoe Brake mơ phỏng cho phanh cách nhận tác động vật lý truyền đến phanh cổng F xuất lực phanh tác đợng cổng S Ở để đơn giản hố mơ hình ta gắn khối trực tiếp vào đường truyền từ hộp số Các khối Differential mô phỏng vi sai để phân bố momen từ đường truyền từ hợp số bán trục có bánh xe Khối Tire mô phỏng bánh xe với cổng A nhận momen phân chia từ vi sai Cổng N nhận tác động vật lý truyền đến từ khung xe Cổng H dùng để gửi tín hiệu chuyển động xoay không trượt bánh xe đến phần khung xe Cổng S để xuất tín hiệu trượt xe so với mặt đường ở ta dùng tín hiệu 122 Khối Vehicle Body mô phỏng khung xe để nhận thông tin khối lượng xe, tác động vật lý độ dốc xe (beta) lực cản gió (W), tính tốn trọng tâm xe trình xe di chuyển để điều chỉnh lực ép lên cầu trước cầu sau Sau tính tốn tín hiệu tổng hợp chuyển đến cầu trước cầu sau qua cổng NF NR Cổng H dùng để nhận tín hiệu chuyển động bánh xe chuyển động ngang khung xe để tính vận tốc hệ Cổng V cổng cho vận tốc xe Đến ta có tín hiệu tốc đợ đợng kết mô phỏng Ta lại sử dụng tín hiệu để chuyển khối Stateflow để tính tốn việc chuyển số 4.2.2 Xây dựng mộ hình Stateflow điều khiển hộp số tự động Hình 4.20: Khối Stateflow tính tốn chuyển số Mơ hình Stateflow có chế sang số tương tự mơ hình hệ thống hợp số tự đợng cấp ở ta mô phỏng hộp số tự động xe Fortuner nên mơ hình Stateflow ở có cấp số 123 Sử dụng thông tin điều khiển chuyển số khác nên ở khối Simulink Function ta có khối 2-D Lookup Table với liệu khác để xuất ngưỡng up_threshold dn_threshold phù hợp Trong khối Simulink Function ta sử dụng hai sơ đồ lên số khác Dữ liệu bảng lên số: Bảng 4.4: Bảng lên số Dữ liệu bảng xuống số: Bảng 4.5: Bảng xuống số 124 Chương KẾT QUẢ MƠ PHỎNG 5.1 Mơ hình mơ động trình chuyển số hộp số tự động cấp số Đầu vào mơ hình tín hiệu góc mở bướm ga lực phanh Ở trường hợp ta mô phỏng xe tăng tốc dần phanh gấp Hình 5.1: Tín hiệu góc mở bướm ga 125 Hình 5.2: Tín hiệu lực phanh tác đợng Theo sơ đồ tín hiệu góc mở bướm ga ban đầu ta nhấn ga đạt đợ mở cực đại ở giây thứ 60, ta trì góc mở cực đại đến giây thứ 100 nhả ga dần 20 giây ga Cịn lực phanh ta bắt đầu nhấn phanh từ lúc nhả ga tức giây thứ 100 tăng dần đến cực đại vào giây thứ 160 nhả dần xe dừng hẳn Hình 5.3: Sơ đồ chế chuyển số xe 126 Theo trường hợp ta có sơ đồ chuyển số Ban đầu xe lên số từ từ tốc độ xe dần tăng lên Và khoảng thời gian xe xuống số vợi trường hợp xe phanh gấp Theo sơ đồ ta có sơ đồ vận tốc hình dưới Ở hình ta thấy vận tốc xe tăng dần ở sơ đồ ta thấy có điểm gãy nhỏ Ở điểm gãy thời điểm xe sang số Hình 5.4: Sơ đồ vận tốc xe 5.2 Mơ hình mơ xe Fortuner với hệ thống sang số tự động cấp số Ở mơ hình ta chi thành trường hợp: - Trường hợp thứ nhất: Xe tăng tốc bình thường nhấn phanh vào cuối trình tăng tốc 127 Hình 5.5: Kết mô phỏng trường hợp Trong phần sơ đồ kết ta thấy sơ đồ nhỏ Sơ đồ thứ hiển thị vận tốc xe, sơ đồ thứ hai hiển thị góc mở bướm ga, sơ đồ thứ ba hiển thị chế sang số xe sơ đồ cuối hiển thị lực phanh Ở trường hợp ta thấy tốc độ xe tăng dần thời gian xe lên số không gấp ta nhấn phanh mạnh sau thả ga nên khiến thời gian xe giảm số ngắn Và theo sơ đồ ta thấy tốc độ xe giảm đột ngột từ ta bắt đầu đạp phanh - Trường hợp thứ 2: Ta nhấn ga cực đại, giữ một lúc không nhấn nữa, đồng thời không đạp phanh thả cho xe chạy theo qn tính 128 Hình 5.6: Kết mô phỏng trường hợp Ở trường hợp ta thấy xe lên số bình thường đồng thời tốc độ xe tăng lên ta nhả ga Sau không đạp ga xe vẫn trơi theo qn tính nên tốc đợ xe giảm dần theo đường cong đồng thời xe xuống số dần theo tốc độ - Trường hợp thứ 3: Ta nhấn ga cực đại, giữ một lúc sau phanh gấp Ở ta thấy q trình xe tăng tốc lên số bình thường hai trường hợp trước Nhưng ta vừa nhả ga đồng thời đạp phanh tốc đợ xe giảm mạnh đồng thời trình giảm số diễn thời gian ngắn Hình 5.7: Kết mơ phỏng trường hợp 129 Chương KẾT QUẢ, KẾT LUẬN 6.1 Kết luận Sau thời gian nghiên cứu, tìm hiểu với giúp đỡ thầy TS Nguyễn Trọng Hải, nhóm hồn thành việc thiết kế mơ phỏng hộp số tự động ô tô đạt kết mơ hình hồn chỉnh thực mơ phỏng đồng thời ta phát triển mơ hình chi tiết thêm giúp cho q trình chuyển số hợp lí xe sang số mượt mà êm Dưới đánh giá ưu nhược điểm hệ thống nhóm mơ phỏng  Ưu điểm:  Có thể kiểm tra chạy thử với nhiều trường hợp, thực tế khác mà mơ hình thực tế khó làm được;  Thử nghiệm mơ hình thực tế thơng qua mô phỏng một cách dễ dàng hỗ trợ sửa lỗi một hệ thống cụ thể;  Mô phỏng dễ dàng tốn chi phí, tiết kiệm thời gian công sức hơn;  Thu kết ở bước mà khơng cần phải xây dựng mơ hình  Nhược điểm:  Cịn nhiều sai số (hao phí, ma sát,…);  Có nhiều mơ hình mà phần mềm chưa mô phỏng sai lệch nhiều so với thực tế;  Muốn tạo mơ hình phải có kiến thức chun sâu, tốn thời gian tìm hiểu 6.2 Hướng phát triển Trong đề tài này, nhóm thực thiết kế mô phỏng hộp số tự động dùng Matlab Để phát triển đề tài thêm nữa, nhóm xin đề xuất ý tưởng sau: 130  Sử dụng thông tin thực tế xe sử dụng liệu để mô phỏng một xe thống nhất;  Thêm vào nhiều thông số đầu vào như: nhiệt độ nước làm mát, áp suất lốp,… để mơ phỏng q trình chi tiết, xác Đồ án giúp sinh viên thêm kiến thức mơ phỏng, hỗ trợ cho sinh viên, kỹ sư nghiên cứu, phát triển ý tưởng thân một hệ thống tơ tương lai Sinh viên quan sát dễ dàng hoạt động một hệ thống tơ từ giúp sinh viên có tảng kiến thức chuyên ngành 131 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] The MathWorks, Inc Simulink Documentation (mathworks.com) [2] The MathWorks News & Note Magazine for MATLAB and Simulink, 01/2006, https://vi.wikipedia.org/wiki/MATLAB [3] The MathWorks, Inc, Using Simulink® and StateflowTM in Automotive Applications, 61 – 70 [4] Zeeshan Ali TRANSITIONAL CONTROLLER DESIGN FOR ADAPTIVE CRUISE CONTROL SYSTEMS BEng Mechanical Engineering, 2010, 52 [5] Kourosh Heidari Shirazi A comparison on optimal torque vectoring strategies in overall performance enhancement of a passenger car Shahid Chamran University of Ahvaz, 2016, 471 - 472 132