(Luận văn thạc sĩ hcmute) nghiên cứu động học và động lực học hộp số tự động mô phỏng hoạt động của hộp số

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

NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC
HỘP SỐ TỰ ĐỘNG - MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA HỘP SỐ

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC – 60520116

S K C0 0 4 6 4 9

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015

Luan van


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

NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC HỘP SỐ TỰ
ĐỘNG - MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA HỘP SỐ

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC – 60520116
Hướng dẫn khoa học: TS. LÂM MAI LONG

TP.Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2015

Luan van


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:

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: Cơng Nghệ Kỹ Thuật Ơ 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. Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN 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

i

Luan van


LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng 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 cơng trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 24 tháng 10 năm 2015
(Ký tên và ghi rõ họ tên)

ii

Luan van


LỜI CÁM ƠN
Trong xu thế hội nhập hiện nay, nền cơng 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 cơng 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 ơ tơ
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 đơ 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 trị dẫn đường, q trình tự
động hóa đã đi sâu vào các ngành sản xuất và các sản phẩm của chúng, một trong số
đó là ơ tơ, khơng 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 cịn
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 thơng 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 ơ tơ
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
hồn thành đề tài của mình. Bên cạnh đó là tất cả các Q Thầy Cơ trong khoa,
phịng đào tạo đã tạo mọi điều kiện để em hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp này.

iii

Luan van


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 mơ 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 tốn 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, mơ 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.

iv

Luan van


ABSTRACT
Topic Name: “Research kinetics and dynamics of the automatic transmission –
Simulation activities of the gearbox”
Execution time: 01/09/2014 to 28/08/2015
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.

iv

Luan van


MỤC LỤC
Trang tựa

TRANG

Quyết định giao đề tài
Lý lịch cá nhân
Lời cam đoan

i
ii

Lời cảm tạ
Tóm tắt

iii
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

Luan van


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.Mơmen khóa, mơmen 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: MƠ PHỎNG HOẠT ĐỘNG .................................................................. 57
4.1.Thơng số tính tốn ............................................................................................... 57
4.2. Ảnh hưởng của mơmen khố C1 đến vận tốc xe ở tay số 1 ............................... 58
4.3. Ảnh hưởng của mơmen khố B3 đến vận tốc xe ở tay số lùi

v

Luan van


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

v

Luan van


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

-

HSHT: Hộp số hành tinh

-

CCHT: Cơ cấu hành tinh

-

4WD ( 4 Wheel Driver): 4 bánh chủ động

-

OD (OverDrive): Số truyền tăng tốc

-

P (Parking): Tay số vị trí đỗ xe

-

L (Low): Tay số thấp

-

R (Return): Tay số lùi

-

N (Neutral): Tay số trung gian

-

C (Clucth): Ly hợp

-

B (Brake): Phanh

-

i: Tỉ số truyền động

-

 : Vận tốc góc quay

-

n: Số vịng quay

-

 : Hiệu suất

-

M : Mơmen lực

-

r: Bán kính tính tốn

-

P: Cơng suất

vi

Luan van

DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH

TRANG

Hình 2.1: Dịng truyền cơng suất trên xe có sử dụng hộp số tự động

5

Hình 2.2: Biến mơ thuỷ lực

6

Hình 2.3: Ví dụ truyền cơng suất của biến mơ thuỷ lực

7

Hình 2.4: Sơ đố tính tốn dịng chảy trong biến mơ

8

Hình 2.5: Đường đi của dịng chảy trong biến mơ

11

Hình 2.6: Cấu tạo bộ truyền bánh răng hành tinh

13

Hình 2.7: Các dãy CCHT cơ bản

15

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 2.10: Sơ đồ tính tốn một dãy hành tinh

20

Hình 2.11: Mơmen tổng qt khố vào cơ cấu

22

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

23

Hình 2.13: Cấu tạo và sơ đồ CCHT kiểu Wilson

25

Hình 2.14: Sơ đồ gài số 1

27

Hình 2.15: Sơ đồ gài số lùi

27

Hình 2.16: Sơ đồ gài số 4

28

Hình 2.17: Sơ đồ gài số 2

28

Hình 2.18: Sơ đồ ghép nối cơ cấu hành tinh Wilson

29

Hình 2.19: Cách bố trí các nhóm tỷ số truyền trong hộp số ơtơ con

29

Hình 2.20: CCHT kiểu Simpson

30

Hình 2.21: Sơ đồ cấu tạo của CCHT kiểu Ravigneaux

32

Hình 2.22: Các trạng thái làm việc ở số 1, 2, 4, R của CCHT kiểu Ravigneaux

33

Hình 2.23: Sự trượt ly hợp giữa bề mặt ma sát

34

Hình 2.24: Khi xảy ra trượt ly hợp giữa bề mặt ma sát

35

Hình 2.25: Sơ đồ xác định Rtb

36

Hình 2.26: Khi mơmen khố hãm cứng bánh răng mặt trời

37

vii

Luan van


Hình 2.27: Khi mơmen ma sát Mms= 0

38

Hình 2.28: Khi phanh ly hợp bị trượt

39

Hình 2.29: Sơ đồ khi sinh ra mơmen 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 3.4: Nguyên lý hoạt động tay số 1

46

Hình 3.5: Sơ đồ hoạt động tốt ở tay số 1

47

Hình 3.6: Khi ly hợp C1 bị trượt

49

Hình 3.7: Nguyên lý hoạt động tay số lùi

51

Hình 3.8: Sơ đồ hoạt động tốt ở tay số lùi

51

Hình 3.9: Sơ đồ hoạt động khi khố ly hợp B3 khơng 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 mơmen 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 4.3: Sự phụ thuộc tốc độ xe vào lực FC1

62

Hình 4.4: Sự phụ thuộc tốc độ góc N 2 vào lực FB3

65

Hình 4.5: Sự phụ thuộc tỉ số truyền bộ truyền hành tinh vào lực FB3

66

Hình 4.6: Sự phụ thuộc tốc độ xe 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

vii

Luan van


DANH SÁCH CÁC BẢNG
BẢNG

TRANG

Bảng 1.1: Kế hoạch thực hiện

3

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 4.1: Thông số động cơ

57

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 N 2 , tỉ số truyền và tốc độ xe phụ thuộc lực FB3

64

viii

Luan van


Chương 1

TỔNG QUAN
1.1. Lý do chọn đề tài
Hiện nay, các phương tiện giao thông vận tải là một phần không thể thiếu trong
cuộc sống con người. Cũng như các sản phẩm của nền cơng nghiệp hiện nay, ơ tơ
được tích hợp các hệ thống tự động lên các dòng xe đã và đang sản suất với chiều
hướng ngày càng tăng. Với những dòng xe cũ sử dụng hộp số sàn khi chạy liên tục
trong thời gian dài luôn gây ra cảm giác mệt mỏi cho tài xế và gây nên mối nguy
hiểm cho hành khách và hàng hóa khi tài xế khơng cịn phản xạ nhanh khi gặp sự
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 q trình hoạt
động của hộp số ln 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 mịn, 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 khơng cịn được
như mong muốn. Cho nên, đề tài này sẽ tìm hiểu và nghiên cứu về quan hệ động
1

Luan van


học, động lực học của cơ cấu hành tinh, từ đó sẽ tính tốn 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 tốn 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 tốn trên
một hộp số tự động cụ thể, sau đó mơ 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
tốn sự thay đổi của tỉ số truyền, mơmen của các phần tử trong bộ bánh răng
hành tinh.

-

Tính tốn 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 tốn 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 mơ 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 mơ hình mơ 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

2

Luan van


giới hạn trong việc nghiên cứu ảnh hưởng của lực ép dầu thủy lực làm thay đổi
mômen ma sát trong các phanh và ly hợp và làm giảm tốc độ của xe khi lực ép dầu
bị giảm.
1.5. Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hộp số tự động TOYOTA A140L được
trang bị trên xe Toyota Camry sử dụng động cơ 3S-FE.
1.6. Phạm vi nghiên cứu:

Đề tài nghiên cứu chỉ tính tốn các thơng số về động học, động lực học của
hộp số tự động như bộ biến mô, bộ truyền hành tinh và dựa vào các trạng thái thay
đổi các tay số của xe khi chuyển động để mô phỏng sự hoạt động của hộp số tự
động phụ thuộc vào lực ép của dầu thủy lực khi gặp sự cố bằng phần mềm hiện có.
1.7. Phương pháp nghiên cứu
Kết hợp với tham khảo tài liệu ở sách giáo khoa và trên internet, từ đó tính
tốn động học và động lực học của một bộ hành tinh đơn giản như xác định tỉ số
truyền, mô men hãm phanh, ly hợp, mơ men khóa các phần tử bộ bánh răng hành
tinh.
Từ đó, áp dụng tính tốn trên cho bộ bánh răng hành tinh ghép lại tạo nên hộp
số hành tinh, cụ thể ở đây là hộp số tự động TOYOTA A140L, xác định tỉ số truyền
cho từng tay số đặc trưng và ảnh hưỏng của các mô men hãm đến tỉ số truyền của
các tay số đó.
Cuối cùng, mô phỏng sự hoạt động của hộp số tự động A140L trên phần mềm.
1.8. Kế hoạch thực hiện
Bảng 1.1. Kế hoạch thực hiện.

Tháng

Thời gian

1 - tháng 1

1

03

07

C ng việc

09

1. Đăng ký tên đề tài.

10

11

12

01

X

3

Luan van

02

04

05

06

08

09

10


2. Xác định đề tài nghiên
cứu, xác định hướng X
nghiên cứu.
3. Tìm hiểu, thu thập tài
X X
liệu về vấn đề nghiên cứu.
4. Viết chương I, II.

X X X

5. Viết chương III, IV

X X X

6. Viết chương V

X X X X

7. Hoàn chỉnh thủ tục, bảo
vệ luận văn. Kết thúc
nghiên cứu.

X X

4

Luan van

Chương

CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Nguyên lý làm việc chung của hộp số tự động
Dịng cơng suất truyền từ động cơ qua biến mô đến hộp số và đi đến hệ thống
truyền động sau đó, cấu tạo đặc biệt biến mơ vừa đóng vai trị là một khớp nối thủy
lực, là một bộ phận khuyếch đại mô men từ động cơ, vừa là một cơ cấu an toàn cho
hệ thống truyền lực.
Hộp số không thực hiện truyền công suất đơn thuần bằng sự ăn khớp giữa các
bánh răng mà còn thực hiện truyền công suất qua các ly hợp ma sát, để thay đổi tỷ
số truyền và đảo chiều quay thì trong hộp số sử dụng các phanh và cơ cấu hành tinh
đặc biệt với sự điều khiển tự động bằng thủy lực hay điện tử. Dịng truyền cơng suất
được thể hiện qua hình 2.1.

Hình 2.1: Dịng truyền cơng suất trên xe có sử dụng hộp số tự động

5

Luan van


2.2. Biến m thuỷ lực

Hình 2.2: Biến mơ thuỷ lực
Bộ biến mô vừa truyền vừa khuyếch đại mômen từ động cơ bằng cách sử
dụng dầu hộp số làm môi trường làm việc. Bộ biến mô bao gồm: cánh bơm được
dẫn động bằng trục khuỷu, rôto tuabin được nối với trục sơ cấp, stator được bắt chặt
vào vỏ hộp số qua khớp một chiều và trục stator, vỏ bộ biến mô chứa tất cả các bộ

phận trên như hình 2.2. Biến mô được nén đầy dầu thủy lực cung cấp bởi bơm dầu.
* Chức năng của biến mô:
- Tăng mô men do động cơ tạo ra.
- Đóng vai trị như một ly hợp thủy lực để truyền hoặc không truyền mô men
từ 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 đồng điều chuyển động quay của động cơ.
- Dẫn động bơm dầu của hệ thống điều khiển thủy lực.
Trên xe có lắp hộp số tự động bộ biến mô thủy lực cũng có tác dụng như một
bánh đà của động cơ. Do khơng cần có một bánh đà nặng như vậy trên xe có hộp số
thường nên xe có trang bị hộp số tự động sẽ sử dụng luôn biến mô thủy lực kèm tấm
truyền động có vành răng khởi động dùng làm bánh đà cho động cơ. Khi tấm dẫn
động quay ở tốc độ cao cùng biến mô thủy lực trọng lượng của nó sẽ tạo nên sự cân
bằng tốt nhằm ngăn chặn các rung động và làm đồng điều chuyển động của động cơ
khi hoạt động gây ra.

6

Luan van


2.2.1. Sơ đồ ngun lý
Hình 2.3 là một ví dụ tương tự nguyên lý làm việc của biến mô thủy lực.
Dùng một quạt chủ động quạt gió về phía một quạt bị động giống như thế đặt đối
diện, gần sát và đang ở trạng thái đứng yên. Sau một quãng thời gian ngắn quạt bị
động bắt đầu quay theo quạt chủ động và chiều quay của cả hai là cùng nhau. Giả sử
ta dùng một ống hồi gió về như hình minh họa để lấy nguồn gió sau khi thổi qua
quạt bị động quay trở lại thổi tiếp tục vào quạt chủ động thì năng lượng mà quạt chủ
động cần dùng để thổi cho quạt bị động quay ngay sau đó sẽ giảm hơn so với ban
đầu.

Nói một cách khác, việc truyền công suất giữa hai quạt được thực hiện nhờ
mơi trường khơng khí. Biến mơ cũng làm việc như vậy, bánh bơm đóng vai trị quạt
chủ động, bánh tuabin đóng vai trị quạt bị động và ống hồi gió đóng vai trị gần
giống với bánh phản ứng. Mơi trường làm việc ở đây là dầu thủy lực là một chất
lỏng không chiụ nén nên khả năng truyền công suất sẽ tốt hơn mơi trường khơng
khí rất nhiều.

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

7

Luan van


2.2.2. Ngun lý truyền mơ men

R2
R1

Wt

Vb2 

ut2 
Vt2
Wt2
ut1

Vt1

Wb2

ub2
Wb1
Vb1
R2 ub1

R1

Wt1


Wb

Vt1
Vb1
Hình 2.4: Sơ đố tính tốn dịng chảy trong biến mơ
Bánh bơm được gắn cố định trên trục chủ động, nối cứng với trục khuỷu
động cơ và quay với tốc độ góc wb. Bánh tuabin được lắp trên trục bằng then hoa
và quay với tốc độ góc wt. Các bánh nằm trong một vành xuyến khép kín gọi là
buồng cơng tác và được nạp đầy dầu thủy lực có áp suất dư. Hình dạng buồng cơng
tác đảm bảo tổn thất năng lượng ít nhất, khi chất lỏng chuyển từ bánh này sang bánh
khác.
Nguyên lý làm việc của biến mô men thủy lực dựa trên cơ sở của định luật
biến thiên mô men động lượng và được giải thích dựa trên hình 2.4. Tại điểm dòng
dầu đi vào bánh bơm, tốc độ dòng chất lỏng trung bình, biểu diễn bằng đường chấm
gạch có giá trị tuyệt đối là vb1. Tốc độ này có thể phân tích thành hai thành phần:
tốc độ vịng hay còn gọi là tốc độ theo ub1 và tốc độ tương đối wb1.
Sau khi đi vào bánh bơm, chất lỏng chuyển động theo profin cánh dẫn đi từ
tâm ra mép ngồi. Dịng chất lỏng có tốc độ là vb 2  ub 2  wb 2 . Khi chuyển động

từ trong ra ngồi bánh bơm trong vịng lưu thơng, năng lượng và động lượng của
dòng chất lỏng tăng lên nhờ mô men truyền cho bánh bơm từ trục khuỷu động cơ.

8

Luan van


Hiệu mô men động lượng của chất lỏng đối với trục quay của bánh bơm khi đi vào
và đi ra khỏi nó chính bằng mơ men trên trục bánh bơm và xác định theo biểu thức:
Mb = mR2vb2 cos  R1vb1 cos 

(2.1)

Ở đây:
m=

G
- Khối lượng chất lỏng chảy qua bánh bơm trong một giây.
g

R1, R2 - Bán kính bánh công tác ở điểm vào và điểm ra của chất lỏng trên quỹ
đạo trung bình.
 ,  - Góc tương ứng giữa các vec-tơ tốc độ tuyệt đối vb1, vb2 và các tốc độ

theo ub1, ub2
Trong giai đoạn khuyếch đại mơmen khi dịng chất lỏng đi ra khỏi bánh bơm
ta xem như dòng chất lỏng đi ngay vào bánh tuabin. Vì giữa bánh bơm và bánh tua
bin khơng có bánh phản ứng nên động năng của dòng chất lỏng khi ra khỏi bánh
bơm và vào bánh tua bin không thay đổi, nhưng vận tốc tuyệt đối của dòng chất

lỏng khi ra khỏi bánh tua bin sẽ thay đổi chiều (do hình dạng của bánh tua bin).
Điều này có nghĩa là khi đi từ ngoài vào trong, chất lỏng truyền cho tua bin
một mômen bằng về trị số với mômen trên trục bánh bơm. Mặc khác theo định luật
biến thiên mômen động lượng thì mơmen tác dụng lên bánh tua bin cũng chính
bằng hiệu mơmen động lượng của chất lỏng đối với trục quay tua bin khi đi vào và
ra khỏi nó, do đó :
M t  M b  mR2vb2 cos  R1vt1 cos 

(2.2)

 - Góc giữa u t1 và wt1 tại điểm ra của bánh tuabin.

Khi ra khỏi bánh tuabin, dòng chất lỏng chảy qua bánh phản ứng thơng qua
khớp một chiều tác dụng lên dịng chất lỏng này một mô men Mp cùng hướng với
mô men Mb và có giá trị bằng:
M p  mR1vb1 cos  R1vt1 cos 

(2.3)

So sánh các biểu thức (2.1), (2.2) và (2.3) ta thấy rõ rằng:
Mt = Mb + Mp

(2.4)

9

Luan van


Và nếu khơng có bánh phản ứng thì: vt1 = vb1 và   

Nên
Mt = Mb
Tức là biến mô men trở thành ly hợp thủy động nên chỉ có tác dụng truyền mà
không biến đổi mô men.
Từ những suy luận trên ta thấy nhờ bánh phản ứng bị khóa theo chiều quay
ngược chiều quay trục khuỷu làm chuyển hướng dòng chất lỏng chảy ra từ bánh
tuabin về cùng chiều quay của bánh bơm, biến tác động cản trở thành tác động trợ
giúp, vì thế để quay bánh bơm chỉ địi hỏi trục khuỷu động cơ cung cấp một mơ
men Mb < Mt.
Khi tốc độ quay của bánh bơm nb = const (giữa bánh tuabin và bánh bơm đạt
sự cân bằng về tốc độ và mômen) sự tăng tải trọng tác dụng lên trục bánh tuabin
làm giảm tốc độ quay nt của bánh tuabin, ở ngay thời điểm tức thời sau đó vì bánh
bơm vẫn cung cấp dịng dầu có năng lượng và lưu lượng như cũ sẽ làm tăng ngay
lưu lượng dòng dầu qua bánh tuabin, điều này giúp cho bánh tuabin tiếp nhận thêm
năng lượng để bù vào năng lượng tiêu hao do tăng tải trọng, nhưng ngược lại sự tiếp
nhận thêm năng lượng này từ bánh tuabin cũng làm mất đi một phần năng lượng do
trục khuỷu cung cấp cho bánh bơm tức là sẽ làm cho bánh bơm giảm tốc độ. Nếu
khơng có sự điều chỉnh tay ga từ người lái tín hiệu tăng tải và đi kèm giảm tốc độ
của xe có thể làm hộp số chuyển về tỷ số truyền lớn hơn cho đến khi đạt trở lại sự
cân bằng.
Tương tự với trường hợp tải trọng tác dụng lên trục bánh tuabin giảm xuống,
tốc độ bánh tuabin sẽ tăng lên, lập tức lưu lượng dầu đi qua bánh tuabin giảm
xuống. Điều này làm cho công suất bánh bơm cung cấp trở nên lớn hơn mức cần
thiết và làm cho tốc độ bánh bơm tăng lên để đạt lại sự cân bằng. Trong giới hạn tải
trọng và mômen của tay số hiện tại không đáp ứng được sự hiệu chỉnh để đạt sự cân
bằng thì hộp số sẽ tự động chuyển số.

10

Luan van

2.2.3. Nguyên lý khuyếch đại m men

Hình 2.5: Đường đi của dịng chảy trong biến mơ
Khi biến mơ ở chế độ khuyếch đại mômen, biến mô sử dụng năng lượng còn
lại của dòng dầu sau khi đi qua tuabin và bánh phản ứng tiếp tục tác động vào cánh
bơm bằng cách nhờ vào tác dụng chuyển hướng của bánh phản ứng thay đổi hướng
va đập của dòng dầu quay về vào sau cánh bơm như hình 2.5. Bánh phản ứng khóa
cứng với vỏ của biến mơ men thủy lực nên dịng chất lỏng khơng trao đổi năng
lượng với nó, nghĩa là trong bánh phản ứng chỉ có biến đổi áp năng thành động
năng. Động năng có được này sẽ truyền cho bánh bơm khi dịng dầu quay về bánh
bơm. Vì vậy mơ men quay trên trục bánh tuabin có được sẽ lớn hơn mômen trên
trục bánh bơm tại cùng một thời điểm.
Nếu bánh phản ứng quay tự do thì mơ men xoắn của trục chủ động truyền
cho trục bị động khơng thể tăng được. Khi đó biến mơ men thủy lực làm việc như ly
hợp thủy động.

11

Luan van