Nghiên cứu động học và động lực học hộp số tự động – mô phỏng hoạt động của hộp số

Trước tiên, đề tài đã tìm hiểu và trình bày những vấn đề cơ bản về một bộ truyền bánh răng hành tinh đơn giản như tỉ số truyền, mômen giữa hai phần tử chủ động và bị động, từ đó phân tíc

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ CHU THÀNH KHẢI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

i

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:

Họ & tên: Chu Thành Khải Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 03/12/1988 Nơi sinh: Lâm Đồng

Quê quán: Lục Ngạn – Bắc Giang Dân tộc: Nùng

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Trường Đại Học Công Nghệ Đồng Nai – Phường Trảng Dài – Thành Phố Biên Hòa – Tỉnh Đồng Nai

Điện thoại cơ quan: 0616.554.167 Điện thoại nhà riêng: 0933.956.917

Fax: E-mail: thanhkhaioto@gmail.com

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

1 Trung học chuyên nghiệp:

Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ ……

Nơi học (trường, thành phố):

Ngành học:

2 Đại học:

Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo: từ 10/2007 đến 10/2011

Nơi học (trường, thành phố): Đại Học Công Nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh

Ngành học: Công Nghệ Kỹ Thuật Ô Tô

Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Ổn định phanh trên xe buýt Samco chạy trong Thành phố Hồ Chí Minh

Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 9/2011

Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Văn Phụng

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:

Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm

2011-2015 Đại Học Công Nghệ Đồng Nai Giảng Viên

ii

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày 24 tháng 10 năm 2015

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

iii

LỜI CÁM ƠN

Trong xu thế hội nhập hiện nay, nền công nghiệp Việt Nam đang đứng trước nhiều khó khăn, thử thách và cả những cơ hội đầy tiềm năng Ngành ô tô Việt Nam cũng không ngoại lệ Khi thế giới bắt đầu sản xuất ô tô chúng ta chỉ được nhìn thấy chúng trong tranh ảnh, hiện nay khi công nghệ về sản xuất ô tô của thế giới đã lên tới đỉnh cao chúng ta mới bắt đầu sửa chữa và lắp ráp Bên cạnh đó thị trường ô tô Việt Nam là một thị trường đầy tiềm năng theo như nhận định của nhiều hãng sản xuất ô tô trên thế giới nhưng hiện nay chúng ta mới chỉ khai thác được ở mức độ buôn bán, lắp ráp và sửa chữa Mức thuế 200% đối với xe nhập khẩu vẫn không ngăn được người dân Việt Nam mua những chiếc xe trị giá cả vài trăm nghìn đến hàng triệu đô la, vì đây là một nhu cầu thiết yếu mà số ngoại tệ này là không nhỏ đối với Việt Nam chúng ta nhất là trong thời kỳ phát triển đất nước như hiện nay Với sự phát triển mạnh mẽ của tin học trong vai trò dẫn đường, quá trình tự động hóa đã đi sâu vào các ngành sản xuất và các sản phẩm của chúng, một trong số

đó là ô tô, không chỉ làm cho người sử dụng cảm thấy thoải mái, gần gũi với chiếc

xe của mình, thể hiện phong cách của người sở hữu chúng Mà sự tự động hóa còn nâng cao hệ số an toàn trong sử dụng Đây là lý do tại sao các hệ thống tự động luôn được trang bị cho dòng xe cao cấp và dần áp dụng cho các loại xe thông dụng Vì

vậy với đề tài chọn là “Nghiên cứu động học và động lực học hộp số tự động – Mô

phỏng hoạt động của hộp số” Em rất mong với đề tài này em sẽ củng cố tốt hơn

kiến thức đã được truyền thụ để khi ra trường em có thể tham gia vào ngành ô tô của Việt Nam để góp phần vào sự phát triển chung của ngành

Em xin được gởi lời cảm ơn chân thành đến Thầy hướng dẫn TS Lâm Mai Long

đã chỉ bảo em tận tình, giúp em vượt qua những khó khăn vướng mắc trong khi hoàn thành đề tài của mình Bên cạnh đó là tất cả các Quý Thầy Cô trong khoa, phòng đào tạo đã tạo mọi điều kiện để em hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp này

iv

TÓM TẮT

Tên đề tài: “Nghiên cứu động học và động lực học hộp số tự động – Mô phỏng hoạt động của hộp số”

Thời gian thực hiện: 01/09/2014 đến 28/08/2015

Địa điểm nghiên cứu: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Hồ Chí Minh

Để nghiên cứu động học, động lực học hộp số tự động và sau đó mô phỏng cụ thể hoạt động hộp số A140L trên dòng xe Toyota Camry Trước tiên, đề tài đã tìm hiểu và trình bày những vấn đề cơ bản về một bộ truyền bánh răng hành tinh đơn giản như tỉ số truyền, mômen giữa hai phần tử chủ động và bị động, từ đó phân tích yếu tố ảnh hưởng làm thay đổi tỉ số truyền cũng như tốc độ đầu ra của hộp số Một trong những yếu tố làm giảm tốc độ xe sử dụng hộp số tự động như xe bị quá tải,

ma sát trong ly hợp bị giảm do mòn, do áp lực dầu yếu

Với vấn đề trên, đề tài đã nghiên cứu, tính toán ảnh hưởng của áp lực dầu thủy lực trong các bộ phận ly hợp và phanh sinh ra mômen hãm một phần tử trung tâm nào đó trong bộ truyền hành tinh đến tỉ số truyền tay số 1 và tay số lùi của hộp số tự động Toyota Camry A140L

Từ kết quả nghiên cứu, tính toán đó ta sử dụng phần mềm Matlab vẽ đồ thị mô

tả sự phụ thuộc của tỉ số truyền, tốc độ đầu ra trục bị động và tốc độ xe phụ thuộc vào lực ép dầu của cơ cấu ly hợp hay phanh Sau đó, mô phỏng hoạt động của hộp

số tự động A140L trên hai phần mềm SolidWork và Matlab Simulink Simechanics

để thấy rõ sự ảnh hưởng của lực ép dầu của cơ cấu phanh và ly hợp đến tốc độ của

xe

Research place: HMCM University of Techonogy and Education

To research kinetics and dynamics of the automatic transmission and then specific simulation activities of the automatic transmission A140L on the car Toyota Camry First, the topic reserched and presented the basic problems of a planet gear simple as transmission ratio, torque between two elements active and passive, thence analytical the elements changes the transmission ratio as well as the output speed of the gearbox One of the elements that reduce the speed of vehicles using the automatic transmission as the car is overloaded, the clutch friction is reduced due to corrosion, low oil pressure

With these problems, the subject has reseached, computed to the influence of hydraulic oil pressure in the clutch and brake to generate brake torque a central elements in the planetary transmission to transmission ratio hand 1 and hand reverse

of automatic transmission A140L on the car Toyota Camry

From the reseachs, computational to use Matlab software to plot describing the dependence of the transmission ratio, the output shaft speed and vehicle speed dependent in the oil pressure of the clutch or brake Then simulation activities of automatic transmission A140L on two software SolidWork anh Matlab Simulink Simmechanics to clearly see the influence of the oil pressure of the brake and clutch mechanism to the vehicle speed

v

MỤC LỤC

Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài

Lý lịch cá nhân i

Lời cam đoan ii

Lời cảm tạ iii

Tóm tắt iv

Mục lục v

Danh sách các chữ viết tắt vi

Danh sách các hình vii

Danh sách các bảng viii

Chương 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Lý do chọn đề tài 1

1.2 Mục tiêu của đề tài 2

1.3 Nhiệm vụ của đề tài 2

1.4 Giới hạn của đề tài 2

1.5 Đối tượng nghiên cứu 3

1.6 Phạm vi nghiên cứu 3

1.7 Phương pháp nghiên cứu 3

1.8 Kế hoạch thực hiện 3

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5

2.1 Nguyên lý làm việc chung của hộp số tự động 5

2.2 Biến mô thủy lực 6

2.2.1 Sơ đồ nguyên lý 7

2.2.2 Nguyên lý truyền momen 8

2.2.3 Nguyên lý khuyếch đại mômen 11

2.3 Các thông số dùng đánh giá mộ biến mô thủy lực 12

2.4 Bộ truyền bánh răng hành tinh 13

v

2.4.1 Các khái niệm cơ bản 13

2.4.2 Phân loại bộ truyền bánh răng hành tinh 14

2.4.3 Động học và động lực học bộ truyền bánh răng hành tinh một dãy 17

2.4.3.1.Động học bộ truyền hành tinh một dãy 17

2.4.3.2.Động lực học bộ truyền hành tinh một dãy 19

2.4.4.Quan hệ động học, động lực học bộ bánh răng hành tinh 22

2.4.4.1.Tỉ số truyền 22

2.4.4.2.Mômen khóa, mômen ma sát ly hợp 23

2.4.4.3 Các cơ cấu hành tinh thường dùng trên ô tô 24

2.5 Ảnh hưởng của mômen ma sát ly hợp đến sự truyền mômen 34

2.5.1 Sự trượt của ly hợp nhiều đĩa ma sát 34

2.5.2 Ảnh hưởng của mômen hãm đến bộ truyền hành tinh đơn giản 36

Chương 3: HỘP SỐ TỰ ĐỘNG A140L 42

3.1 Giới thiệu chung về hộp số A140L 42

3.2 Bộ truyền bánh răng hành tinh trong hộp số tự động A140L 42

3.3 Ảnh hưởng của mômen hãm đến tỉ số truyền 46

3.3.1 Trường hợp xét ở tay số 1 46

3.3.1.1 Khi mômen ma sát ly hợp C1 hoạt động tốt 47

3.3.1.2 Khi mômen ma sát ly hợp C1 hoạt động không tốt và bị trượt 48

3.3.2 Trường hợp xét ở tay số lùi 50

3.3.2.1 Khi mômen ma sát ly hợp C2 và phanh ly hợp B3 hoạt động tốt 51

3.3.2.2 Khi mômen ma sát ly hợp C2 hoạt động tốt và phanh ly hợp B3 không hoạt động 52

3.3.2.3 Khi mômen ma sát ly hợp C2 hoạt động tốt và mômen hãm B3 bị giảm và sinh ra sự trượt 53

Chương 4: MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG 57

4.1.Thông số tính toán 57

4.2 Ảnh hưởng của mômen khoá C1 đến vận tốc xe ở tay số 1 58 4.3 Ảnh hưởng của mômen khoá B3 đến vận tốc xe ở tay số lùi

v

khi C2 hoạt động tốt 63

4.4 Mô phỏng sự hoạt động bằng phần mềm SolidWorks và Simulink Simmechanics trong MatLab 67

4.4.1 Ảnh hưởng của ly hợp C1 ở tay số 1 67

4.4.2 Ảnh hưởng của phanh ly hợp B3 ở tay số lùi 70

Chương 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 73

5.1 Kết luận 73

5.2 Kiến nghị 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO 74

PHỤ LỤC 75

vi

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

KÝ HIỆU KHOA HỌC

- AT (Automatic Transmission): Hộp số tự động

- ECT (Electronic Controlled Transmission): Hộp số điều khiển điện

- ECU (Electronic Controll Unit): Hệ thống điều khiển động cơ theo chương trình

- R (Return): Tay số lùi

- N (Neutral): Tay số trung gian

vii

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2.1: Dòng truyền công suất trên xe có sử dụng hộp số tự động 5

Hình 2.3: Ví dụ truyền công suất của biến mô thuỷ lực 7

Hình 2.4: Sơ đố tính toán dòng chảy trong biến mô 8

Hình 2.6: Cấu tạo bộ truyền bánh răng hành tinh 13

Hình 2.8: Dãy CCHT ba khâu (a, b) và 4 khâu (c) 16 Hình 2.9: Mô tả cấu trúc và các quan hệ động học, động lực học 17

Hình 2.12: Xác định các giá trị tải trọng của cơ cấu khóa 23

vii

Hình 2.29: Sơ đồ khi sinh ra mômen trượt ở phanh ly hợp 39 Hình 3.1: Bản vẽ lắp của hai bộ truyền hành tinh trước và sau 43 Hình 3.2: CCHT kiểu simpson trong hộp số A1140L 44 Hình 3.3: CCHT kiểu Willd của bộ truyền tăng trong hộp số A1140L 45

Hình 3.9: Sơ đồ hoạt động khi khoá ly hợp B3 không hoạt động 53 Hình 3.10: Sơ đồ hoạt động khi sinh ra mômen trượt ở phanh ly hợp B3 54 Hình 3.11: Sơ đồ động khi sinh ra mômen trượt ở phanh ly hợp B3 54 Hình 4.1: Sự phụ thuộc tốc độ góc G1 vào lực FC1 61 Hình 4.2: Sự phụ thuộc tỉ số truyền bộ truyền hành tinh vào lực FC1 62

Hình 4.4: Sự phụ thuộc tốc độ góc N2 vào lực FB3 65 Hình 4.5: Sự phụ thuộc tỉ số truyền bộ truyền hành tinh vào lực FB3 66

Hình 4.7: Sơ đồ điều khiển lực ép ma sát C1 tay số 1 68 Hình 4.8: Sơ đồ khối 3D trong Simulink Simechanics tay số 1 68 Hình 4.9: Vận tốc góc đạt được khi giá trị ma sát bằng 0,09 69 Hình 4.10: Vận tốc góc đạt được khi giá trị ma sát bằng 0,01 69 Hình 4.11: Sơ đồ điều khiển lực ép ma sát B3 tay số lùi 70

Hình 4.12: Sơ đồ khối 3D trong Simulink Simechanics tay số lùi 71 Hình 4.13: Vận tốc góc trượt được khi giá trị ma sát bằng 0,03 72 Hình 4.14: Vận tốc góc trượt được khi giá trị ma sát bằng 0,01 72

viii

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Kiểu CCHT và số lượng số truyền, số lượng phần tử ma sát 15

Bảng 2.2: Kiểu CCHT và dãy số CCHT, số lượng phần tử ma sát 15 Bảng 2.3: Sơ đồ các khả năng làm việc và ứng dụng của CCHT kiểu Wilson 26

Bảng 2.4: Nguyên lý làm việc CCHT tổ hợp Simpson 31 Bảng 2.5: Tóm tắt nguyên lý làm việc của CCHT kiểu Ravigneaux 32 Bảng 3.1: Nguyên lý làm việc CCHT tổ hợp Simpson hộp số A140L 44 Bảng 3.2: Nguyên lý làm việc CCHT Willd trong hộp số A140L 45 Bảng 3.3: Bảng hoạt động ở các tay số hộp số A140L 46

Bảng 4.2: Thông số các ly hợp và phanh trong hộp số tự động A140L 57 Bảng 4.3: Thông số các phần tử trong bộ truyền bánh răng hành tinh 58 Bảng 4.4: Tốc độ góc G1,tỉ số truyền và tốc độ xe phụ thuộc lực FC1 60 Bảng 4.5: Tốc độ góc N2, tỉ số truyền và tốc độ xe phụ thuộc lực FB3 64

cố Ngày nay, hộp số tự động được sử dụng trong nhiều dòng xe con, đã khắc phục được vấn đề trên là giảm sự mệt mỏi cho tài xế, hộp số tự động được trang bị trên

hệ thống truyền lực của xe là một trong số những hệ thống được khách hàng quan tâm hiện nay khi mua xe ô tô, đặc biệt là ở thị trường Mỹ và các nước Châu Âu vì những tiện ích mà nó mang lại khi sử dụng

Kết cấu và các tay số truyền của hộp số tự động trên xe của mỗi hãng xe là khác nhau, nhưng cấu tạo chung của nó là gồm các cơ cấu bánh răng hành tinh ăn khớp với nhau, việc thay đổi các tỉ số truyền của hộp số phụ thuộc vào phần tử được hãm và các lực mômen hãm trong các bộ truyền hành tinh dưới sự điều khiển của hệ thống thủy lực

Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, hệ thống thủy lực trong hộp số tự động ngày nay gần như được điều khiển bằng điện tử nhưng trong quá trình hoạt động của hộp số luôn có các vấn đề bị ảnh hưởng bởi nhiều nhân tố bên ngoài tác động vào Khi xảy ra sự cố vì một lý do nào đó như áp lực dầu yếu, đĩa ma sát của các bộ phận phanh hay ly hợp trong kết cấu của nó bị mòn, lúc này hoạt động của hộp số sẽ không được như ban đầu đồng nghĩa với việc tốc độ xe sẽ bị giảm xuống

do sự cố là sinh ra mômen trượt và mômen hãm sẽ không còn hãm chặt như lúc ban đầu Lúc này, tỉ số truyền của cơ cấu sẽ thay đổi và tốc độ xe sẽ không còn được như mong muốn Cho nên, đề tài này sẽ tìm hiểu và nghiên cứu về quan hệ động

2

học, động lực học của cơ cấu hành tinh, từ đó sẽ tính toán trên lý thuyết ảnh hưởng của các mômen hãm khi bị trượt đến tốc độ của xe

1.2 Mục tiêu của đề tài

“Nghiên cứu động học và động lực học hộp số tự động – Mô phỏng hoạt động của hộp số” nhằm tạo ra cơ sở lý thuyết phục vụ cho việc nghiên cứu, tính toán đến tốc độ xe sử dụng hộp số tự động khi chạy trên đường Đề tài nghiên cứu cho thấy tốc độ của xe khi hoạt động bình thường và khi xảy ra sự cố qua sự tính toán trên một hộp số tự động cụ thể, sau đó mô phỏng trên phần mềm để thấy được sự ảnh hưởng khi gặp sự cố trong quá trình của hộp số tự động

1.3 Nhiệm vụ của đề tài

Để thực hiện đề tài này thì cần tập trung vào các nhiệm vụ chính sau:

- Nghiên cứu mối quan hệ động học, động lực học của hộp số tự động để tính toán sự thay đổi của tỉ số truyền, mômen của các phần tử trong bộ bánh răng hành tinh

- Tính toán cơ sở lý thuyết về sự ảnh hưởng của sự cố xảy ra trong hộp số, cụ thể là lực ép dầu của hệ thống thủy lực bị giảm sẽ ảnh hưởng đến tốc độ xe ở các tay số

- Tính toán và vẽ đồ thị mô tả tỉ số truyền, tốc độ xe phụ thuộc vào lực ép dầu của mômen ma sát của phanh và ly hợp

- Thiết kế, xây dựng mô hình điều khiển để mô phỏng thấy rằng sự hoạt động của hộp số thay đổi phụ thuộc vào mômen chủ động, mômen hãm của các phần tử trung tâm của các bộ bánh răng hành tinh bằng phần mềm SolidWorks

và Matlab Simulink

- Nhận xét kết quả thu được từ mô hình mô phỏng và rút ra kết luận về sự ảnh hưởng của mômen ma sát phanh và ly hợp đến tốc độ của xe

1.4 Giới hạn của đề tài

Vấn đề ảnh hưởng đến tốc độ xe sử dụng hộp số tự động khi gặp sự cố trên thực tế là vấn đề rất phức tạp vì nó chịu nhiều yếu tố tác động khác nhau và phụ thuộc vào các trạng thái làm việc khác nhau của xe Vì vậy đề tài nghiên cứu chỉ