Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số kết cấu tới dao động xoắn trong hệ thống truyền lực ô tô

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỞNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGÔ XUÂN CHUYỂN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ KẾT CẤU
TỚI DAO ĐỘNG XOẮN TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC Ô TÔ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Hà Nội – Năm 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỞNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGÔ XUÂN CHUYỂN

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ KẾT CẤU
TỚI DAO ĐỘNG XOẮN TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC Ô TÔ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS. TS NGUYỄN TRỌNG HOAN

Hà Nội – Năm 2017

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, đƣợc sự hƣớng
dẫn khoa học của PGS.TS Nguyễn Trọng Hoan. Các kết quả nghiên cứu trong luận
văn là trung thực, khách quan và chƣa từng bảo vệ ở bất kỳ học vị nào.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn đã đƣợc
cám ơn, các thông tin trích dẫn trong luận văn đều chỉ rõ nguồn gốc.
Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình.
Hà Nội, ngày 28 tháng 03 năm 2017
Giáo viên hƣớng dẫn

Tác giả luận văn

PGS.TS Nguyễn Trọng Hoan

Ngô Xuân Chuyển


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới thầy
hƣớng dẫn PGS.TS Nguyễn Trọng Hoan – thầy đã tận tình hƣớng dẫn, chỉ bảo, định
hƣớng và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình tôi thực hiện luận văn này với sự tận tâm,
trách nhiệm, sáng suốt và khoa học cao.
Tôi rất cảm ơn và trân trọng sự hỗ trợ của Phòng thí nghiệm Ô tô - Trƣờng
Đại học Bách khoa Hà Nội đã hỗ trợ, tạo điều kiện về phƣơng tiện và trang thiết bị
thí nghiệm góp phần thực hiện thành công luận văn.
Xin gửi lời cảm ơn trân trọng đến các thầy của Bộ môn Ô tô và xe chuyên
dụng, Viện Cơ khí động lực, Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội với những góp ý
rất thiết thực trong suốt quá trình tôi thực hiện luận văn.

Xin gửi lời cảm ơn tới các nhà khoa học, các bạn đồng nghiệp vì sự giúp đỡ
thiết thực cho luận văn này.
Xin đƣợc gửi lời cảm ơn đặc biệt nhất tới gia đình tôi, những ngƣời đã luôn
bên cạnh tôi động viên, chia sẻ những khó khăn và là động lực để tôi hoàn thành
luận văn.
Hà Nội, ngày 28 tháng 03 năm 2017
Tác giả luận văn

Ngô Xuân Chuyển


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................................... i
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .............................................................................................ii
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1
CHƢƠNG I: TỔNG QUAN ................................................................................................ 3
1.1 Hệ thống truyền lực ..................................................................................................... 3
1.1.1 Vai trò của hệ thống truyền lực ............................................................................ 3
1.1.2 Các bộ phận chính của hệ thống truyền lực cơ khí trên ô tô tải........................... 5
1.2 Các nghiên cứu về hệ thống truyền lực ....................................................................... 6
1.2.1 Xác định tải trọng động trong hệ thống truyền lực .............................................. 6
1.2.2 Dao động, rung và ồn ........................................................................................... 7
1.2.3 Ảnh hưởng của dao động xoắn trong hệ thống truyền lực tới độ êm dịu chuyển
động của xe .................................................................................................................... 8
1.2.4 Phối hợp hoạt động hệ thống truyền lực với động cơ đốt trong ........................... 8
1.3 Các phƣơng pháp nghiên cứu hệ thống truyền lực ...................................................... 9
1.3.1 Nghiên cứu lý thuyết ............................................................................................. 9
1.3.2 Nghiên cứu thực nghiệm ..................................................................................... 13
1.4 Dao động xoắn trong hệ thống truyền lực, tần số riêng và phƣơng pháp tính toán. .. 15
1.4.1 Mô hình mô phỏng hệ thống truyền lực ô tô ....................................................... 15

1.4.2. Tần số riêng và phương pháp tính toán ............................................................. 18
1.5 Vấn đề nghiên cứu, mục đích và nội dung luận văn .................................................. 20
1.5.1 Vấn đề nghiên cứu .............................................................................................. 20
1.5.2 Mục đích của đề tài............................................................................................. 20
1.5.3 Nội dung luận văn ............................................................................................... 20
CHƢƠNG II: XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC Ô
TÔ........................................................................................................................................ 21
2.1 Phƣơng pháp mô phỏng hệ thống truyền lực ............................................................. 21
2.2 Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống truyền lực ô tô ............................................. 21
2.2.1 Xây dựng sơ đồ mô phỏng hệ thống.................................................................... 21
2.2.2 Xây dựng mô hình toán học mô tả hệ thống ....................................................... 28
2.3 Tần số riêng và phƣơng pháp tính toán ..................................................................... 36
2.3.1 Mô men kích thích từ động cơ............................................................................. 36


2.3.2 Sơ đồ tính toán .................................................................................................... 37
2.3.3 Tính toán tần số .................................................................................................. 38
CHƢƠNG III: TÍNH TOÁN KHẢO SÁT HTTL Ô TÔ BẰNG MÔ HÌNH 5 KHỐI
LƢỢNG .............................................................................................................................. 40
3.1 Nội dung nghiên cứu.................................................................................................. 40
3.2 Các số liệu tính toán................................................................................................... 40
3.3 Tính toán tần số riêng HTTL cho một số loại xe cụ thể ............................................ 41
3.3.1 Phương trình ....................................................................................................... 41
3.3.2 Giải phương trình bằng Matlab.......................................................................... 41
3.3.3 Kết quả tính toán ................................................................................................ 42
3.4 Khảo sát ảnh hƣởng của một số thông số đến tần số riêng ........................................ 44
3.4.1 Ảnh hưởng của độ cứng c1 .................................................................................. 44
3.4.2 Ảnh hưởng của độ cứng c2 ...................................................................................... 51
3.4.3 Ảnh hưởng của mô men quán tính ...................................................................... 54
KẾT LUẬN......................................................................................................................... 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 59


DANH MỤC CÁC BẢNG
Thứ tự

Tên bảng

Trang

Bảng 2.1

Ký hiệu quy ƣớc các phần tử của các hệ thống động lực

28

Bảng 3.1

Số liệu xe Zil-130

40

Bảng 3.2

Số liệu xe GAZ-53

40

Bảng 3.3

Số liệu xe MAZ-500

41

Bảng 3.4

Kết quả tính toán xe ZIL-130

43

Bảng 3.5

Kết quả tính toán xe GAZ-53

43

Bảng 3.6

Kết quả tính toán xe MAZ-500

43

Bảng 3.7

Kết quả tính toán tần số riêng ở tay số 1

44

Bảng 3.8

Kết quả tính toán tần số riêng ở tay số 2

47

Bảng 3.9

Kết quả tính toán tần số riêng ở tay số 3

48

Bảng 3.10

Kết quả tính toán tần số riêng ở tay số 4

49

Bảng 3.11

Kết quả tính toán tần số riêng ở tay số 5

50

Bảng 3.12

Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của độ cứng c2

51

Bảng 3.13

Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của độ cứng

53

i


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Thứ tự
Hình 1.1

Tên hình vẽ
Đặc tính kéo lý tƣởng của ô tô và khả năng đáp ứng của

Trang
3

động cơ đốt trong
Hình 1.2

Vùng làm việc của ô tô với hệ thống truyền lực cơ khí có

5

4 cấp
Hình 1.3

Sơ đồ hệ thống truyền lực ô tô

5

Hình 1.4

Mô tả chi tiết quay của HTTL

9

Hình 1.5

Sơ đồ hệ thống truyền lực và mô hình mô phỏng

10

Hình 1.6

Mô hình mô phỏng đơn giản hóa

11

Hình 1.7

Mô hình hóa và mô phỏng HTTL ô tô hybrid bằng Bond

12

graph
Hình 1.8

Sơ đồ nguyên lý phƣơng pháp đo mô men bằng tenzo

14

Hình 1.9

Thiết bị đo số vòng quay

15

Hình 1.10

Sơ đồ tính toán tần số riêng với 4 khâu đàn hồi

19

Hình 2.1

Sơ đồ hệ thống truyền lực và sơ đồ mô phỏng hệ thống

23

truyền lực
Hình 2.2

Ví dụ chuyển đổi từ mô hình cơ học sang sơ đồ động lực.

28

Hình 2.3

Các bƣớc đơn giản hóa hệ thống động lực

34

Hình 2.4

Mô men của động cơ 6 xi lanh

37

Hình 2.5

Sơ đồ tính toán tần số riêng với 4 khâu đàn hồi

38

Hình 3.1

Quy luật biến thiên tần số riêng

4

khi thay đổi độ cứng c1

45

3

khi thay đổi độ cứng c1

45

2

khi thay đổi độ cứng c1

46

1

khi thay đổi độ cứng c1

46

ở tay số 1
Hình 3.2

Quy luật biến thiên tần số riêng
ở tay số 1

Hình 3.3

Quy luật biến thiên tần số riêng
ở tay số 1

Hình 3.4

Quy luật biến thiên tần số riêng

ii

ở tay số 1
Hình 3.5

Quy luật biến thiên của các tần số riêng khi thay đổi độ

47

cứng c1 ở tay số 1
Hình 3.6

Quy luật biến thiên của các tần số riêng khi thay đổi độ

48

cứng c1 ở tay số 2
Hình 3.7

Quy luật biến thiên của các tần số riêng khi thay đổi độ

49

cứng c1 ở tay số 3
Hình 3.8

Quy luật biến thiên của các tần số riêng khi thay đổi độ

50

cứng c1 ở tay số 4

Hình 3.9

Quy luật biến thiên của các tần số riêng khi thay đổi độ

51

cứng c1 ở tay số 5
Hình 3.10

Sự thay đổi của

4

theo độ cứng c2

52

Hình 3.11

Sự thay đổi của

3

theo độ cứng c2

52

Hình 3.12

Sự thay đổi của

2

theo độ cứng c2

53

Hình 3.13

Sự thay đổi của

1

theo độ cứng c2

53

Hình 3.14

Quy luật biến thiên của các tần số riêng khi thay đổi độ

54

cứng c2 ở tay số 2
Hình 3.15

Sự thay đổi của

4

theo độ cứng

55

Hình 3.16

Sự thay đổi của

3

theo độ cứng

55

Hình 3.17

Sự thay đổi của

2

theo độ cứng

56

Hình 3.18

Sự thay đổi của

1

theo độ cứng

56

Hình 3.19

Quy luật biến thiên của các tần số riêng

iii

57


MỞ ĐẦU
“Quy hoạch phát triển ngành công nghiệp ô tô Việt Nam đến năm 2020, tầm
nhìn đến năm 2030” và “Chiến lƣợc phát triển ngành công nghiệp ô tô Việt Nam
đến năm 2025, tầm nhìn đến năm 2035” của Chính phủ đã nêu rõ: “Chú trọng phát
triển dòng xe tải nhỏ phục vụ cho sản xuất…” nhằm đạt đƣợc sản lƣợng xấp xỉ
100.000 xe vào năm 2020, đáp ứng 78% nhu cầu tiêu thụ nội địa.
Nhiệm vụ trên đây đặt ra đối với ngành công nghiệp ô tô Việt Nam là rất
nặng nề, bởi vì hiện trạng của lĩnh vực sản xuất ô tô trong nƣớc, mặc dù đƣợc
hƣởng nhiều chính sách ƣu đãi nhƣng lại đang ở trong một tình trạng không mấy
khả quan. Các doanh nghiệp lớn nhƣ Công ty Cổ phần ô tô Trƣờng Hải, Tổng Công
ty VEAM, Nhà máy ô tô Vinaxuki,… cũng mới chỉ sản xuất đƣợc một số sản phẩm
khung vỏ, thùng bệ và một số chi tiết khác. Toàn bộ phần máy móc từ động cơ, hệ
thống truyền lực đến các hệ thống điều khiển,… đều đƣợc nhập khẩu từ nƣớc ngoài,
trong đó phần lớn là từ Trung Quốc. Chất lƣợng các sản phẩm còn rất thấp so với
các loại xe nhập khẩu.
Trƣớc tình hình trên, để có thể tự sản xuất đƣợc các bộ phận chính nhƣ động
cơ, hệ thống truyền lực (HTTL), hệ thống lái, hệ thống phanh,… và tiến tới sản xuất

toàn bộ ô tô, thì ngành công nghiệp ô tô Việt Nam còn rất nhiều việc phải làm.
Trong đó, một trong những ƣu tiên hàng đầu phải đƣợc dành cho việc xây dựng và
hoàn thiện quy trình thiết kế.
HTTL là một bộ phận quan trọng trên ô tô. Trong những năm gần đây, nhiều
doanh nghiệp sản xuất trong nƣớc và một số cơ sở nghiên cứu đã đặt vấn đề thiết kế
chế tạo các bộ phận của hệ thống này trong nƣớc, nhƣng chƣa đạt đƣợc kết quả
mong muốn. Khó khăn lớn đầu tiên mà các nhà sản xuất gặp phải chính là khâu
thiết kế.
Trƣớc tình hình trên, luận văn đã nghiên cứu ảnh hƣởng của một số thông số
kết cấu tới dao động xoắn trong hệ thống truyền lực ô tô nhằm góp phần tạo dựng
cơ sở để có thể nghiên cứu, tính toán và đề xuất các giải pháp nhằm tránh cộng

1


hƣởng với động cơ đốt trong phục vụ cho việc hoàn thiện quy trình thiết kế hệ
thống.
Mục đích của luận văn
Nghiên cứu ảnh hƣởng của một số thông số kết cấu tới dao động xoắn trong
hệ thống truyền lực ô tô phục vụ cho việc hoàn thiện quy trình thiết kế tính toán ô
tô.
Đối tượng nghiên cứu
Đối tƣợng nghiên cứu của luận văn đƣợc lựa chọn là 3 ô tô tải Zil-130, Gaz53, Maz-500.
Nội dung luận văn
1.

;

2.

3.
4.

2


CHƢƠNG I: TỔNG QUAN
1.1 Hệ thống truyền lực
1.1.1 Vai trò của hệ thống truyền lực
Hệ thống truyền lực trên ô tô đóng vai trò của bộ phận kết nối động cơ với
các bánh xe chủ động, giúp cho xe có thể chuyển động trên các loại đƣờng xá theo
điều kiện sử dụng cụ thể.
Về bản chất, HTTL là hệ thống truyền lực công suất của động cơ tới các
bánh xe chủ động. Với công suất tối đa của động cơ là
của ô tô là

, vận tốc chuyển động

, thì lực kéo tại các bánh xe chủ động

và hiệu suất của HTTL là

đƣợc tính nhƣ sau:
=

(1.1)

Mối quan hệ giữa lực kéo và vận tốc theo công thức (1.1) đƣợc mô tả bằng
đƣờng hyperbol trên hình 1.1. Đồ thị này thƣờng đƣợc gọi là đặc tính kéo lý tƣởng,
nó thể hiện khả năng sử dụng tối đa công suất của động cơ để đáp ứng mọi điều

kiện hoạt động của ô tô. Trên thực tế, phạm vi hoạt động của ô tô rất rộng, nó có thể
chuyển động trên các loại đƣờng khác nhau, với vận tốc khác nhau. Vì vậy, lực kéo
và vận tốc tại các bánh xe phải luôn thay đổi để đáp ứng các điều kiện chuyển động
cụ thể. Với đặc tính kéo nhƣ trên hình 1.1 thì vùng làm việc khả dĩ của ô tô nằm bên
dƣới đƣờng đặc tính lý tƣởng và đƣờng giới hạn khả năng bám.

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

3


Tuy nhiên, động cơ sử dụng trên ô tô hiện nay chủ yếu vẫn là động cơ đốt
trong, tồn tại dƣới hai dạng là động cơ xăng và động cơ diesel. Các loại động cơ này
không đáp ứng đƣợc vùng làm việc mong muốn theo đặc tính lý tƣởng, mà nó chỉ
có thể cung cấp lực kéo trong phạm vi giới hạn của đặc tính làm việc của nó (vùng
trắng trên hình 1.1).
Nhƣ vậy, HTTL phải thực hiện chức năng biến đổi đặc tính của động cơ sao
cho đặc tính quy dẫn của nó gần nhất có thể với đặc tính lý tƣởng. Thông số thực
hiện chức năng biến đổi này chính là tỷ số truyền

của HTTL. Để đảm bảo vùng

phủ của đặc tính quy dẫn của động cơ đủ rộng, tỷ số truyền của HTTL phải biến
thiên trong một dải rộng giữa các giá trị lớn nhất và nhỏ nhất (

và

).

Hiện nay, HTTL của ô tô thay đổi tỷ số truyền theo hai cách sau:
- Biến đổi theo cấp: HTTL có số tỷ số truyền xác định, mỗi tỷ số truyền
tƣơng ứng với một cấp số.
- Biến đổi vô cấp: tỷ số truyền của HTTL thay đổi một cách liên tục trong
vùng biến thiên của nó (giữa

và

).

Hầu hết các loại ô tô tải cỡ nhỏ và trung bình hiện nay vẫn sử dụng HTTL
kiểu truyền thống, đó là HTTL cơ khí có cấp, trong đó hộp số đảm nhận chức năng
thay đổi tỷ số truyền.
HTTL cơ khí có cấp với một số lƣợng tỷ số truyền nhất định có thể mở rộng
vùng làm việc khả dĩ của ô tô nhằm đáp ứng các điều kiện chuyển động. Trên hình
1.2 thể hiện vùng làm việc của ô tô có trang bị hệ thống truyền lực cơ khí có 4 cấp
số (vùng màu trắng trên hình vẽ). Có thể nhận thấy rằng HTTL có cấp chỉ tạo đƣợc
vùng làm việc theo đúng đặc tính kéo lý tƣởng nếu có vô số cấp. Trên thực tế điều
này không thể thực hiện đƣợc. Vì vậy, tùy theo mục đích sử dụng và điều kiện làm
việc của từng loại ô tô ngƣời ta lựa chọn số cấp số HTTL sao cho phù hợp.

4


Hình 1.2 Vùng làm việc của ô tô với hệ thống truyền lực cơ khí có 4 cấp
Đối với ô tô tải loại nhỏ và trung bình, số lƣợng tỷ số truyền thƣờng nằm
trong khoảng từ 5 đến 8. Các hộp số có ít cấp số (5-6 cấp) đƣợc sử dụng khá phổ
biến trên các ô tô tải nhỏ và trung bình do có kết cấu đơn giản, rẻ tiền, độ tin cậy và
tuổi thọ cao. HTTL của các loại ô tô cỡ lớn thƣờng có tỷ số truyền lớn hơn nhiều (8

– 16 cấp thậm chí lớn hơn).
1.1.2 Các bộ phận chính của hệ thống truyền lực cơ khí trên ô tô tải
HTTL cơ khí của ô tô tải gồm những bộ phận chính nhƣ mô tả trên hình 1.3

Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống truyền lực ô tô
1- Động cơ; 2 – Ly hợp; 3 – hộp số; 4 – truyền động các đăng; 5 – cầu chủ động
Ly hợp (2) là bộ phận có nhiệm vụ ngắt và nối đƣờng truyền công suất từ
động cơ tới hệ thống truyền lực và giúp cho xe có thể khởi hành từ trạng thái đứng
yên. Hiện nay, trong HTTL cơ khí sử dụng chủ yếu loại ly hợp ma sát khô với một
hoặc hai đĩa bị động.

5


Hộp số (3) là bộ phận đảm nhiệm chức năng thay đổi tỷ số truyền trong
HTTL. Phổ biến hơn cả trong HTTL hiện nay là hộp số 3 trục kiểu đồng trục nhờ
khả năng tạo số truyền thẳng.
Truyền động các đăng (4) đảm bảo việc kết nối trục ra của hộp số với trục
vào cầu chủ động trong trƣờng hợp động cơ đặt xa cầu chủ động và hai trục cần liên
kết không đồng trục với nhau.
Cầu chủ động (5) là bộ phận cuối cùng trong hệ thống, nó truyền mô men tới
các bánh xe chủ động. Trong cầu chủ động thƣờng có ba bộ phận: truyền lực chính,
vi sai và các bán trục. Truyền lực chính về bản chất là bộ phận giảm tốc, có nhiệm
vụ tăng tỷ số truyền cho hệ thống truyền lực. Bộ vi sai đƣợc đặt giữa hai bán trục,
nhờ nó mà các bán trục có thể quay với các vận tốc khác nhau khi ô tô quay vòng
hoặc chuyển động trên mặt đƣờng gồ ghề. Các bán trục có nhiệm vụ truyền mô men
tới các bánh xe chủ động
1.2 Các nghiên cứu về hệ thống truyền lực
Các hƣớng nghiên cứu về HTTL khá đa dạng, nhƣng đều nhằm vào việc
hoàn thiện hệ thống từ khâu thiết kế, chế tạo cho đến kỹ thuật điều khiển. Trong

khuôn khổ của luận văn, chỉ quan tâm đến những nghiên cứu ảnh hƣởng của một số
thông số kết cấu tới dao động xoắn trong hệ thống truyền lực ô tô. Dƣới đây là một
số hƣớng nghiên cứu chính.
1.2.1 Xác định tải trọng động trong hệ thống truyền lực
Tải trọng động là một trong những vấn đề đầu tiên đƣợc các nhà nghiên cứu
quan tâm vì nó phục vụ trực tiếp cho quá trình thiết kế HTTL. Do HTTL thực hiện
chức năng truyền và biến đổi mô men của động cơ tới các bánh xe chủ động, nên tải
trọng tính toán ban đầu thƣờng đƣợc lấy từ mô men cực đại của động cơ. Tuy nhiên,
các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, trong quá trình hoạt động của ô tô có thể xuất hiện
các chế độ tải trọng với mô men xoắn trong HTTL lớn hơn nhiều so với mô men từ
động cơ truyền qua nó. Ví dụ: khi nhả ly hợp đột ngột, mô men trên một khâu bất
kỳ trong HTTL có thể lớn hơn gấp 2 lần (hoặc hơn) mô men truyền từ động cơ. Vì
6


vậy, để xác định tải trọng tính toán nhằm đảm bảo HTTL có thể vận hành ở mọi
điều kiện làm việc của ô tô, cần xác định đƣợc giá trị tải trọng động cực đại tất cả
các khâu trong hệ thống. [2, 4]
1.2.2 Dao động, rung và ồn
Rung và ồn do HTTL gây nên cũng đƣợc nghiên cứu từ rất sớm. Năm 1965,
Mazziotti [10] đã công bố công trình nghiên cứu về rung ồn trong HTTL ô tô tải với
những vấn đề tổng thể liên quan đến rung và ồn của hệ thống động lực ô tô, trong
đó có vấn đề về dao động của mô men xoắn.
Nhiều công trình sau đó đã công bố các kết quả nghiên cứu sâu hơn về
những vấn đề liên quan đến rung và ồn do rung bằng phƣơng pháp mô tả hệ thống
động lực thông qua các khối lƣợng quán tính và các khâu nối có tính đàn hồi và ma
sát nhớt. Các kết quả nghiên cứu đã chỉ ra ảnh hƣởng của các thông số kết cấu trên
tới hiện tƣợng rung do động cơ và HTTL gây nên [6, 16, 4]. Trên cơ sở đó, ngƣời ta
đã đƣa ra các giải pháp giảm rung và ồn do rung nhằm nâng cao chất lƣợng hoạt
động của hệ thống.

EI-Adl Mohammed Aly Rabei [5] (1997) đã thực hiện nghiên cứu về dao
động HTTL gây nên rung và ồn. Kết quả nghiên cứu cho thấy việc sử dụng mô hình
mô phỏng HTTL dạng rút gọn để nghiên cứu dao động gây sai số không lớn, đồng
thời giảm đƣợc nhiều khối lƣợng và thời gian tính toán. Tác giả cũng cho rằng, đối
với HTTL ô tô, có thể sử dụng mô hình với 4 khối lƣợng để xác định các tần số
riêng và nghiên cứu hiện tƣợng cộng hƣởng. Trên thực tế, việc tránh cộng hƣởng do
kích thích từ động cơ là không thực hiện đƣợc vì tần số kích thích thay đổi theo chế
độ động cơ. Vì vậy, trong khi thiết kế HTTL cần xác định tần số riêng của HTTL và
đƣa ra các giải pháp tránh cộng hƣởng, trong đó có giải pháp sử dụng hệ thống điều
khiển tránh cộng hƣởng.
Các tác giả Yuanfeng Xia, Hongcheng Li, Xiong Tian, Hongying Wang và
Yu Tang (2005) [16] đã sử dụng phƣơng pháp phần tử hữu hạn để giải bài toán xác

7


định tần số riêng cho mô hình 5 khối lƣợng và đánh giá khả năng cộng hƣởng ở các
dạng riêng khác nhau.
Magnus Pettersson [13], nghiên cứu dao động xoắn trong HTTL và đề xuất
giải pháp điều khiển động cơ để tránh cộng hƣởng trong HTTL. Tác giả cũng đã kết
luận rằng tải trọng lớn xuất hiện ở tần số thấp, còn tần số cao gây nên rung và ồn.
Một hƣớng mới trong nghiên cứu rung ồn của HTTL là xem xét động cơ và
HTTL trong mối quan hệ liên kết với hệ thống treo ô tô. Dao động tổng thể của các
hệ thống trên (dao động xoắn của hệ thống động lực và dao động thẳng đứng của hệ
thống treo) đƣợc mô phỏng, tính toán và đƣa ra các kết quả phản ánh tính tƣơng tác
qua lại giữa chúng. Trên cơ sở đó, các tác giả đã đƣa ra các giải pháp giảm rung và
ồn.
1.2.3 Ảnh hưởng của dao động xoắn trong hệ thống truyền lực tới độ êm dịu
chuyển động của xe
Ảnh hƣởng của dao động xoắn trong HTTL tới dao động thẳng đứng của hệ

thống treo cũng là một trong những vấn đề thu hút đƣợc sự quan tâm của nhiều nhà
nghiên cứu. Lomakin (1971) đã công bố các kết quả nghiên cứu về ảnh hƣởng của
HTTL tới độ êm dịu chuyển động.
Mối quan hệ giữa các hệ thống: động cơ – HTTL – hệ thống treo cũng đƣợc
nghiên cứu và đánh giá ảnh hƣởng qua lại của dao động các hệ thống này.
Trong một số công bố gần đây vào những năm 2007, 2008 nhiều nhà nghiên
cứu đã thực hiện mô phỏng hệ thống dao động tổng thể gồm dao động xoắn trong
HTTL và dao động của hệ thống treo. Kết quả cho thấy ảnh hƣởng qua lại của hai
hệ thống trên là khá lớn. Trên cơ sở đó, các tác giả đã khuyến cáo về việc cần xem
xét một cách tổng thể để có đƣợc độ chính xác cao hơn.
1.2.4 Phối hợp hoạt động hệ thống truyền lực với động cơ đốt trong
Vấn đề phối hợp hoạt động của động cơ đốt trong và HTTL ngày càng đƣợc
quan tâm nhiều và ngƣời ta có xu hƣớng xem xét chúng trong một tổ hợp gọi là hệ

8


thống động lực (powertrain). Mục đích của việc phối hợp hai bộ phận trên là tăng tỷ
lệ thời gian hoạt động của động cơ ở vùng có suất tiêu hao nhiên liệu thấp, nhờ đó
mà giảm mức tiêu thụ nhiên liệu và giảm ô nhiễm do khí xả [9].
Đối với HTTL cơ khí có cấp, giải pháp chính để đạt đƣợc mục tiêu tiết kiệm
nhiên liệu là tăng số lƣợng tỷ số truyền và phân bố chúng một cách hợp lý. Tuy
nhiên tăng số cấp số đồng nghĩa với việc tăng mức độ phức tạp, tăng khối lƣợng và
giá thành của HTTL. Vì vậy, hƣớng nghiên cứu này thƣờng mang lại hiệu quả
không cao đối với HTTL cơ khí có cấp do số lƣợng tỷ số truyền hạn chế [7, 9].
1.3 Các phƣơng pháp nghiên cứu hệ thống truyền lực
Hiện nay, các nghiên cứu về HTTL đƣợc thực hiện song song bằng cả hai
phƣơng pháp lý thuyết và thực nghiệm.
1.3.1 Nghiên cứu lý thuyết
Trong nghiên cứu lý thuyết, phổ biến hơn cả vẫn là phƣơng pháp mô hình

hóa và mô phỏng HTTL và tính toán động lực học hệ thống. Các chi tiết của HTTL
thực hiện chuyển động quay, vì vậy ngƣời ta mô tả một chi tiết bất kỳ thông qua 3
thông số đặc trƣng (hình 1.4): mô men quán tính, độ cứng và hệ số nội ma sát (ma
sát nhớt).
Mx

Mx

I, C, B
1

2

Hình 1.4 Mô tả chi tiết quay của HTTL
I: mô men quán tính; C: hệ số độ cứng; B: hệ số ma sát nhớt
Các mô men tác dụng lên chi tiết bao gồm 3 thành phần chính:
- Mô men quán tính: I ;
- Mô men đàn hồi: C(

-

);
9


- Mô men cản nhớt: B(

-

).

Hệ số độ cứng C có thể đƣợc thay bằng hệ số đàn hồi E=1\C.
Bằng phƣơng pháp mô tả nhƣ trên, một HTTL với sơ đồ nhƣ trên hình 1.5a
đƣợc mô tả bằng sơ đồ mô phỏng nhƣ trên hình 1.5b. Trong đó,
quán tính và độ đàn hồi của các chi tiết tƣơng ứng trong HTTL;

và
và

là mô men
mô men

quán tính và độ đàn hồi của các chi tiết đƣợc quy về một trục trong hệ thống.

Ví dụ trên hình 1.5 cho thấy, để giảm bớt độ phức tạp của bài toán, ngƣời ta
thƣờng bỏ qua các thông số có ảnh hƣởng không lớn. Chẳng hạn, chi tiết có khối
lƣợng và đƣờng kính lớn (bánh đà, bánh răng,…) có độ cứng rất lớn, nên chúng có
thể coi là cứng tuyệt đối. Trong trƣờng hợp này, chi tiết đƣợc mô tả bằng một thông
số duy nhất là mô men quán tính. Ngƣợc lại, đối với các trục có đƣờng kính và khối

10


lƣợng nhỏ nhƣng lại có chiều dài lớn thì thông số có tính áp đảo lại là độ đàn hồi và
khi đó chi tiết đƣợc mô tả thông qua độ đàn hồi (hoặc độ cứng) cùng với hệ số cản
nhớt. Tùy theo mục đích nghiên cứu và yêu cầu của bài toán mà ngƣời ta cũng có
thể bỏ qua cản nhớt nhƣ trên sơ đồ hình 1.5b.
Dựa trên mô hình mô phỏng, ngƣời ta xây dựng hệ phƣơng trình mô tả hệ
thống. Khi đó, những sơ đồ quá phức tạp có thể đƣợc đơn giản hóa bằng cách gộp
các khâu trên mô hình lại với nhau. Chẳng hạn, mô hình mô phỏng trên hình 1.5b

có thể rút gọn thành sơ đồ với 6 khối lƣợng quán tính và 4 khâu đàn hồi.

Hình 1.6 Mô hình mô phỏng đơn giản hóa
Việc xây dựng hệ phƣơng trình vi phân mô tả hệ thống đƣợc thực hiện theo
các nguyên lý chung của cơ học.
Phƣơng pháp nghiên cứu mô tả trên đây có thể đƣợc sử dụng để tính toán các
chế độ làm tải trọng động tác dụng lên HTTL ô tô và khảo sát dao động xoắn trong
HTTL. Khi đòi hỏi độ sát thực của mô hình cao hơn thì ngƣời sử dụng buộc phải
dùng mô hình có độ phức tạp cao hơn, dẫn đến những khó khăn lớn trong việc giải
bài toán.
Phƣơng pháp nghiên cứu thứ hai đƣợc sử dụng trong mô hình hóa và mô
phỏng hệ thống truyền lực là sử dụng sơ đồ liên kết để mô tả công suất, trong đó
đƣợc sử dụng phổ biến hơn cả là Bond Graphs [15, 12, 11].
Bond Graphs đƣợc Henry M. Paynter, Giáo sƣ trƣờng Đại học Công nghệ
Massachuset (Massachusetts Institute of Technology – MIT) công bố vào ngày
24/4/1959. Bond Graphs là một phƣơng pháp mô tả một hệ thống động lực (cơ học,
điện, thủy lực, khí nén,…) dƣới dạng sơ đồ (graph) liên kết (bond) thể hiện sự

11


truyền tải năng lƣợng. Phƣơng pháp này đƣợc xây dựng dựa trên nguyên lý bảo
toàn năng lƣợng.
Các phần tử chính trong sơ đồ hệ thống gồm: phần tử (Element) hay còn gọi
là nút (Vertice), thể hiện một đối tƣợng vật lý (chi tiết cơ khí, các phần tử trong hệ
thống điện, cơ cấu chấp hành thủy lực,…) và liên kết (edge), mô tả dòng năng
lƣợng, hay cụ thể là tác động của nút này lên nút khác. Tƣơng tác giữa các nút đƣợc
thể hiện qua 2 thông số: dòng (flow) và lực (effort). Dòng thể hiện sự biến đổi của
lƣợng theo thời gian (ở đây chính là vận tốc góc). Lực thể hiện cƣờng độ của tƣơng
tác (ở đây là mô men). Tích của lƣu lƣợng và cƣờng độ chính là công suất:

Công suất = dòng x lực (W)

(1.2)

Các liên kết đƣợc thể hiện bằng mũi tên khuyết (nửa trên hoặc nửa trái):

,

, , . Chiều của mũi tên chỉ chiều công suất.
Trên hình 1.7 là một ví dụ mô tả HTTL ô tô hybrid bằng Bond Graphs. Hình
1.7a là sơ đồ hệ thống, trong đó có 2 máy điện M/

, M/

và động cơ đốt trong

ICE. Chúng đƣợc kết nối với nhau bằng bộ hòa dòng công suất. Hình 1.7b mô tả sơ
đồ liên kết của hệ thống bằng Bond Graphs, trong đó 1 và 0 là các nút.
Dựa trên sơ đồ liên kết (Bondgraph) ngƣời ta xây dựng các phƣơng trình mô
tả hệ thống tại các nút.

Hình 1.7 Mô hình hóa và mô phỏng HTTL ô tô hybrid bằng Bond graph
12


Ngoài phƣơng pháp trên, để mô hình hóa và mô phỏng HTTL ngƣời ta còn
sử dụng các phần mềm chuyên dụng nhƣ CarSIM, TruckSIM, SimDriveline
(Matlab)…
1.3.2 Nghiên cứu thực nghiệm
Nghiên cứu thực nghiệm thƣờng cho kết quả chính xác và có độ tin cậy cao

hơn so với nghiên cứu lý thuyết nhờ đo trực tiếp các thông số quan tâm. Tuy nhiên,
chi phí để thực nghiệm thƣờng cao hơn rất nhiều và đòi hỏi phải có trang thiết bị
phù hợp. Đối với HTTL, ngƣời ta thƣờng thực hiện thí nghiệm với mục đích sau:
- Xác định các chế độ tải trọng trong HTTL;
- Đo hiệu suất của các bộ phận và của HTTL;
- Đo rung ồn của các bộ phận HTTL;
- Xác định các thông số và đánh giá hoạt động của các cụm trong hệ thống;
- Xác định độ bền lâu và tuổi thọ của các bộ phận trong HTTL.
Các thí nghiệm có thể đƣợc thực hiện trên các bệ thử chuyên dùng hoặc trên
đƣờng. Các thông số cơ bản trong các thí nghiệm trên đƣợc đo bằng các thiết bị
chuyên dùng có độ chính xác cao.
Một trong những khó khăn trong các thí nghiệm trên là đo mô men trên các
trục quay. Ngày nay, việc đo mô men có thể đƣợc thực hiện bằng nhiều phƣơng
pháp và thiết bị khác nhau. Phƣơng pháp thông dụng hơn cả vẫn là sử dụng các điện
trở tenzo dán trực tiếp lên trục cần đo mô men [8]. Các đƣờng dây điện đƣợc kết nối
với nguồn và thiết bị bên ngoài thông qua các bộ tiếp điện hoặc các bộ phận thu
phát không dây. Phƣơng pháp đo này đòi hỏi phải lấy chuẩn thiết bị. Mô men xoắn
cũng có thể đƣợc đo bằng thiết bị đo chuyên dụng. Tuy nhiên, để lắp đặt thiết bị cần
phải cắt trục và chế tạo đồ gá cho phù hợp. Hơn nữa, dải đo của thiết bị phải tƣơng
ứng với vùng biến thiên mô men trên trục cần đo.

13


Hình 1.8 Sơ đồ nguyên lý phương pháp đo mô men bằng tenzo
1 - Điện trở tenzo dán trên trục; 2 - Các chổi than; 3 - Các vành đồng;
4 - Bộ tiếp điện; 5 - Cầu đo; 6 - Trục cần đo mô men
Trên hình 1.8 là một ví dụ về phƣơng pháp đo mô men xoắn trên trục bằng
điện trở tenzo. Điện trở đƣợc dán trực tiếp lên trục cần đo, các đầu dây đƣợc dẫn ra
ngoài nhờ bộ tiếp điện kiểu chổi than – vành đồng và nối cầu đo kiểu Weatstone.

Cầu đo đƣợc cấp nguồn nuôi E, khi chƣa có mô men trên trục cầu đo phải ở trạng
thái cân bằng (điện áp đo lúc này bằng 0). Khi đo, mô men xoắn trên trục làm thay
đổi giá trị điện trở

và vì vậy, cầu đo mất cân bằng làm xuất hiện điện áp đo

tƣơng ứng với mô men xoắn trục.
Thông số thứ hai đƣợc đo trong các thí nghiệm HTTL là vận tốc góc của các
chi tiết quay. Hiện nay, có rất nhiều dạng thiết bị đo vận tốc góc, nhƣng chúng hoạt
động dựa trên nguyên lý chung là đếm xung. Các cảm biến đo vận tốc góc có thể là
điện từ, quang, cảm biến Hall,… [8]. Một số ví dụ về cảm biến đo vận tốc góc đƣợc
thể hiện trên hình 1.9.
Thiết bị trên hình 1.9a hoạt động dựa trên sự biến thiên của từ trƣờng đi qua
cuộn dây: mỗi khi đỉnh răng đi qua gần lõi sắt, một xung điện xuất hiện trong cuộn
dây và đƣợc truyền đến thiết bị xử lý. Thiết bị trên hình 1.9b Hoạt động dựa trên
nguyên lý quang điện: tia sang phát ra từ nguồn đƣợc phản hồi nhờ một tấm phản

14


quan dán trên trục sau đó đi vào thiết bị thu nhận và xử lý. Mỗi lần tia sáng chiếu
vào cảm biến quang sẽ tạo nên một xung điện.
Tín hiệu ra của các cảm biến trên đều có dạng xung điện có tần số tỷ lệ thuận
với vận tốc quay của trục. Bộ xử lý thực hiện việc chuyển đổi các tín hiệu này thành
giá trị vận tốc góc để hiển thị và lƣu trữ kết quả.

a) Cảm biến đo vận tốc góc kiểu điện từ
quang học
1 - Đĩa răng; 2 - Cuộn dây có lõi sắt;

b) Thiết bị đo vận tốc góc bằng
1 - Trục quay; 2 - Tấm phản quang;

3 - Nam châm vĩnh cửu.

3 - Đầu thu phát quang;
4 - Thiết bị xử lý hiển thị.
Hình 1.9 Thiết bị đo số vòng quay

1.4 Dao động xoắn trong hệ thống truyền lực, tần số riêng và phƣơng pháp
tính toán.
1.4.1 Mô hình mô phỏng hệ thống truyền lực ô tô
Hiện nay có rất nhiều phƣơng pháp mô phỏng HTTL, mỗi phƣơng pháp đều
có ƣu nhƣợc điểm riêng và đƣợc sử dụng tùy theo trƣờng hợp cụ thể. Để nghiên cứu
các chế độ tải tác dụng lên HTTL, phƣơng pháp thích hợp hơn cả là mô phỏng
HTTL bằng sơ đồ dao động xoắn. Phƣơng pháp đƣợc thực hiện theo các bƣớc sau:
- Từ kết cấu cụ thể của HTTL xây dựng sơ đồ của hệ thống (còn gọi là mô
hình cơ học);
15


- Chuyển đổi mô hình cơ học thành sơ đồ động lực và dựa trên những giả
thiết tính toán đặt để đơn giản hóa sơ đồ động lực thành sơ đồ tính toán;
- Thiết lập hệ phƣơng trình mô tả hoạt động của hệ thống.
Các sơ đồ động lực có hai dạng: sơ đồ với các thông sô phân bố và sơ đồ với
các thông số tập trung. Để cho đơn giản ngƣời ta thƣờng gọi chúng là các sơ đồ
phân bố (liên tục) và sơ đồ tập trung (rời rạc). Trong các sơ đồ phân bố, mỗi phần tử
đƣợc đặc trƣng bởi 2 tính chất: quán tính và đàn hồi.
Tất cả các hệ thống thực đều là hệ thống phân bố, nhƣng để cho đơn giản,
trong quá trình phân tích ngƣời ta thƣờng tìm cách quy chúng về dạng sơ đồ tập

trung bằng cách bỏ qua tính chất ít quan trọng hơn của các phần tử.
Hệ thống truyền lực của ô tô là hệ thống dạng phân bố, nhƣng khi sơ đồ hóa
nó, ngƣời ta thƣờng thể hiện dƣới dạng sơ đồ dao động tập trung. Việc quy đổi dạng
phân bố về tập trung đƣợc thực hiện dựa trên các cơ sở sau: các dao động xoắn
trong HTTL có phổ không liên tục với tần số riêng nằm trong miền dƣới 300Hz. Vì
vậy, có thể sử dụng các sơ đồ dạng tập trung để tính toán các quá trình dao động
xoắn trong miền tần số trên.
Trong các hệ thống đã đƣợc quy về dạng tập trung, các khối lƣợng đƣợc coi
là tập trung và chỉ có tính quán tính. Các chi tiết trong hệ thống có nhiệm vụ nối các
khối lƣợng với nhau có dạng phần tử đàn hồi và đƣợc đặc trƣng bởi một độ cứng
nhất định. Trong quá trình nghiên cứu dao động xoắn, ngƣời ta coi các phần tử có
kích thƣớc dọc trục quay không quá 2 lần đƣờng kính là các phần tử tập trung. Khối
lƣợng phân bố của các phần tử này đƣợc tính đến một cách tƣơng đối chính xác
bằng cách quy chúng về khối lƣợng tập trung. Việc lập sơ đồ tập trung của HTTL
đƣợc thực hiện trên cơ sở nghiên cứu kỹ cấu tạo các cụm hệ thống để từ đó phân
các chi tiết thành hai loại: loại chỉ có tính quán tính (khối lƣợng tập trung) và loại
chỉ có tính đàn hồi (phần tử nối).
Những phần tử có khối lƣợng tập trung thƣờng là các bánh răng, các đĩa của
ly hợp, bánh đà, các mặt bích, các chi tiết của ổ bi, các chi tiết vỏ.
16