Tài liệu Nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện chuyển động đến vận tốc của ô tô trang bị hộp số tự động

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ĐỖ NGỌC HUY NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN CHUYỂN ĐỘNG ĐẾN VẬN TỐC CỦA Ô TÔ TRANG BỊ HỘP SỐ TỰ ĐỘNG LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Mã số: 8520116 Thái Nguyên - 2019 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn ii LỜI CAM ĐOAN Tôi là Đỗ Ngọc Huy, học viên lớp cao học K20 chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí động lực. Sau hai năm học tập và nghiên cứu, được sự giúp đỡ của các thầy cô giáo và đặc biệt là sự giúp đỡ của TS. Nguyễn Khắc Tuân, thầy giáo hướng dẫn tốt nghiệp đến nay tôi đã đi đến cuối chặng đường để kết thúc khóa học. Tôi đã quyết định chọn dề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện chuyển động đến vận tốc của ô tô trang bị hộp số tự động”. Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của thầy giáo TS. Nguyễn Khắc Tuân và chỉ tham khảo các tài liệu đã được liệt kê. Tôi không sao chép công trình và của cá nhân nào khác dưới bất cứ hình thức nào. Nếu sai tôi xin chịu mọi hình thức kỷ luật theo quay định. Người thực hiện Đỗ Ngọc Huy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn iii LỜI CẢM ƠN Có được kết quả này, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Nguyễn Khắc Tuân, người đã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn này. Tác giả bày tỏ lòng biết ơn đối Ban lãnh đạo và phòng Đào tạo của trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành bài luận văn này. Tác giả cũng chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm Khoa kỹ thuật ô tô và máy động lực trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện bản luận văn này. Tôi xin cảm ơn các đồng nghiệp đã động viên giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập nghiên cứu và hoàn thành luận văn. Mặc dù đã cố gắng hết sức mình nhưng do năng lực bản thân còn nhiều hạn chế nên luận văn không tránh khỏi những sai sót, tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy, cô các nhà khoa học và đồng nghiệp. Tác giả Đỗ Ngọc Huy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn iv MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................. i LỜI CẢM ƠN .................................................................................................. iii MỤC LỤC .................................................................................................... iv DANH MỤC HÌNH ẢNH ............................................................................... vi DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................. ix MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1 1. Lý do chọn đề tài ......................................................................................... 1 2. Mục đích, nội dung và phạm vi nghiên cứu của đề tài ............................... 2 Chương 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ....................................... 3 1.1. Giới thiệu chung về hệ thống truyền lực.................................................. 3 1.1.1. Vai trò của hệ thống truyền lực trên ô tô ............................................ 3 1.1.2. Chức năng của hệ thống truyền lực .................................................... 5 1.1.3. Các bộ phận chính trong hệ thống truyền lực ..................................... 7 1.1.4. Phân loại hệ thống truyền lực ............................................................. 7 1.2 Tổng quan về hộp số tự động .................................................................... 8 1.2.1 Lịch sử phát triển hộp số tự động ........................................................ 8 1.2.2 Khái quát về hộp số tự động .............................................................. 14 1.2.2.1 Công dụng ................................................................................... 14 1.2.2.2 Yêu cầu ........................................................................................ 15 1.2.2.3 Phân loại ..................................................................................... 15 1.2.2.4. Ưu nhược điểm của hộp số tự động ........................................... 17 1.2.3 Các bộ phận chính trong hộp số tự động ........................................... 19 1.2.3.1 Bộ biến mô men thuỷ lực ............................................................. 19 1.2.3.2 Hộp số cơ khí .............................................................................. 20 1.2.3.3. Hệ thống điều khiển hộp số tự động .......................................... 23 1.3 Các nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến hộp số tự động ....... 25 1.3.1 Các nghiên cứu trong nước ................................................................ 25 1.3.2 Các nghiên cứu ngoài nước................................................................ 27 1.4. Kết luận chương 1 .................................................................................. 27 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn v Chương 2 - XÂY DỰNG MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU ................................... 27 2.1. Phương pháp nghiên cứu thông qua mô phỏng ..................................... 27 2.1.1.Phương pháp mô phỏng thông qua thiết lập hệ phương trình vi phân liên kết giữa các vật trong hệ .......................................................................... 29 2.1.2. Phương pháp mô phỏng thông qua mô tả các vật và liên kết ........... 30 2.2. Xây dựng mô hình nghiên cứu ............................................................... 34 2.2.1. Mô hình động cơ ............................................................................... 34 2.2.2. Mô hình bộ biến mô thủy lực ............................................................ 36 2.2.2.1. Cấu tạo biến mô thủy lực ........................................................... 36 2.2.2.2 Các thông số cơ bản của biến mô thuỷ lực ................................. 37 2.2.2.3. Đặc tính không thứ nguyên của biến mô ................................... 39 2.2.3. Mô hình hộp số.................................................................................. 42 2.2.4 Mô hình khối điều khiển chuyển số ................................................... 46 2.2.5. Mô hình lốp ....................................................................................... 50 2.2.6. Mô hình thân xe ................................................................................ 51 2.2.7. Mô hình điều khiển người lái ............................................................ 53 2.2.8. Mô hình toàn xe ................................................................................ 54 2.3. Kết luận chương 2 .................................................................................. 55 Chương 3 - MÔ PHỎNG XÁC ĐỊNH VẬN TỐC CỦA Ô TÔ ..................... 55 TRANG BỊ HỘP SỐ TỰ ĐỘNG .................................................................... 55 3.1. Trường hợp mô phỏng ........................................................................... 56 3.2. Phân tích kết quả .................................................................................... 56 3.2.1. Kết quả mô phỏng trường hợp 1-ô tô tăng tốc từ trạng thái đứng yên ................................................................................................................... 56 3.2.2. Kết quả mô phỏng trong trường hợp 2: khi ô tô vượt xe phía trước 60 3.2.3 Kết quả mô phỏng trường hợp ô tô chuyển động lăn trơn ................. 64 3.2.4 Kết quả mô phỏng trường hợp phanh gấp ......................................... 68 3.3. Kết luận chương 3 .................................................................................. 71 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ......................................................................... 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 73 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn vi DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1. Đặc tính kéo lý tưởng của ô tô và khả năng đáp ứng của động cơ đốt trong. .....................................................................................................................................3 Hình 1.2. Vùng làm việc của ô tô với hệ thống truyền lực cơ khí có 4 cấp. ...............5 Hình 1.2 Đặc tính kéo của ôtô có hộp số thường ......................................................14 Hình 1.3 Hộp số tự động kiểu FF (a) và FR .............................................................16 Hình 1.4 Cấu tạo chung của hộp số tự động .............................................................19 Hình 1.5 Biến mô thủy lực ........................................................................................19 Hình 1.6 Hộp số cơ khí .............................................................................................21 Hình 1.7 Các chế độ làm việc của cơ cấu hành tinh .................................................22 Hình 1.8 Sơ đồ cấu tạo của hộp số tự động 5 cấp .....................................................22 Hình 1.9 Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý của hệ thống điều khiển .................................23 Hình 1.10 Sơ đồ cấu tạo của liên kết điều khiển bằng tay ........................................25 Hình 2.1 Sơ đồ các phương pháp mô phỏng .............................................................29 Hình 2.2 Mô hình mô phỏng ô tô trang bị hộp số tự động bằng phần mềm Maple Sim ...................................................................................................................................31 Hình 2.3 Mô hình các phần tử hệ thống truyền lực với phần mềm Modelica ..........32 Hình 2.4 Mô hình mô phỏng ô tô với hộp số tự động bằng phần mềm Modelica ....32 Hình 2.5 Mô hình mô phỏng ô tô với hộp số tự động bằng công cụ Simdriveline Mechanic trong phần mềm Matlab [21] ....................................................................33 Hình 2.6 Mô phỏng ô tô bằng phần mềm Carsim .....................................................33 Hình 2.7 Mô hình động cơ đốt trong .........................................................................35 Hình 2.8 Kết quả mô phỏng công suất động cơ phụ thuộc .......................................35 vào độ mở bướm ga ...................................................................................................35 Hình 2.9 Biến mô thủy lực ........................................................................................36 Hình 2.10 Sự làm việc của biến mô thủy lực [10]. ...................................................36 Hình 2.11 Đặc tính không thứ nguyên [10] ..............................................................40 Hình 2.12 Mô hình biến mô men thủy lực trong Simscape ......................................41 Hình 2.13 Kết quả mô phỏng đặc tính của biến mô ..................................................42 Hình 2.14 Bộ truyền hành tinh 3 tốc độ hộp số A140 Toyota ..................................42 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn vii Hình 2.15 Bộ truyền hành tinh 4 tốc độ loại CR-CR ................................................43 sử dụng trong hộp số tự động U340 ..........................................................................43 Hình 2.16 Bộ truyền hành tinh loại 4 tốc độ ravigneaux ..........................................44 sử dụng trong hộp số tự động U440 ..........................................................................44 Hình 2.17 Sơ đồ bộ truyền hành tinh 4 cấp loại CR-CR với 5 ly hợp .....................44 Hình 2.18 Mô hình mô phỏng hộp số 4 cấp [21] ......................................................46 Hình 2.19 Nguyên lý chuyển số hộp số tự động [10] ...............................................47 Hình 2.20 Đồ thị công suất ở các cấp số khác nhau .................................................48 Hình 2.21 Mô hình khối điều khiển chuyển số .........................................................49 Hình 2.22 Sơ đồ Simulink Simscape mô tả lốp ........................................................51 Hình 2.23 Sơ đồ lực tác dụng lên ô tô .......................................................................52 Hình 2.24 Sơ đồ khối Simulink mô tả thân xe ..........................................................53 Hình 2.25 Tác động của người lái .............................................................................54 Hình 2.26 Mô hình mô phỏng toàn xe trang bị hộp số tự động 4 cấp ......................55 Hình 3.1 Tác động phanh và ga của người lái khi tăng tốc từ từ ..............................57 Hình 3.2 Sự thay đổi của tốc độ, mô men xoắn và công suất có ích của động cơ khi ô tô tăng tốc từ từ .........................................................................................................57 Hình 3.3 Đồ thị tốc độ và mô men trên trục bánh bơm và bánh tua bin khi ô tô tăng tốc từ từ .....................................................................................................................58 Hình 3.4 Đồ thị tốc độ trên trục sơ cấp và thứ cấp của hộp số .................................59 khi ô tô tăng tốc từ từ ................................................................................................59 Hình 3.5 Đồ thị tốc độ của ô tô khi tăng tốc từ từ.....................................................60 Hình 3.6 Quá trình ô tô tăng tốc vượt xe phía trước .................................................60 Hình 3.7 Tác động phanh và ga của người lái ..........................................................61 Hình 3.8 Sự thay đổi của tốc độ, mô men xoắn và công suất có ích của động cơ khi ô tô vượt xe phía trước .................................................................................................62 Hình 3.9 Đồ thị tốc độ và mô men trên trục bánh bơm và bánh tua bin khi ô tô thực hiện vượt xe phía trước .............................................................................................62 Hình 3.10 Đồ thị tốc độ trên trục sơ cấp và thứ cấp của hộp số khi ô tô vượt xe phía trước ..........................................................................................................................63 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn viii Hình 3.11 Đồ thị tốc độ của ô tô trong trường hợp vượt xe phía trước ....................64 Hình 3.12 Tác động từ người lái khi xe chuyển động lăn trơn .................................65 Hình 3.13 Đồ thị biến thiên tốc độ công suất và mô men xoắn của động cơ ...........65 khi ô tô chuyển động lăn trơn....................................................................................65 Hình 3.14 Đồ thị biến thiên tốc độ và mô men xoắn trên trục bánh bơm và bánh tuabin của biến mô thủy lực khi ô tô chuyển động lăn trơn .................................................66 Hình 3.15 Đồ thị tốc độ trục hộp số và trạng thái làm việc của ly hợp ....................66 Hình 3.16 Đồ thị vận tốc của ô tô khi lăn trơn ..........................................................67 Hình 3.17 Tác động của người lái khi phanh gấp .....................................................68 Hình 3.18 Đồ thị biến thiên tốc độ công suất và mô men xoắn của động cơ ...........69 Hình 3.19 Đồ thị biến thiên tốc độ và mô men xoắn trên trục bánh bơm và bánh tuabin của biến mô thủy lực .................................................................................................69 Hình 3.20 Đồ thị tốc độ trục và trạng thái làm việc của ly hợp hộp số ....................70 Hình 3.21 Đồ thị vận tốc của ô tô khi phanh gấp......................................................70 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn ix DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Trạng thái làm việc của các ly hợp ứng với các tay số ..............................45 Bảng 2.2 Giá trị các hệ số B, C, D, E ứng với một số loại đường ............................50 Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của ô tô .........................................................................56 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn x DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Ý NGHĨA TT KÍ HIỆU 1 Hộp số tự động 2 Hộp số tự động ly hợp kép DCT 3 Hệ thống truyền lực HTTL AT Hộp số với 2 dãy hành tinh với kết cấu cần của 4 bộ truyền hành tinh này nối với bánh răng bao của CR-CR bộ truyền hành tinh kia Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Ngày nay, ô tô là một phương tiện vận tải được sử dụng rộng rãi trong tất cả các hoạt động kinh tế và xã hội của mỗi quốc gia trên thế giới. Vì thế, việc nghiên cứu nâng cao hiệu quả sử dụng của loại phương tiện này là một vấn đề luôn được các nhà khoa học quan tâm. Để đánh giá so sánh các ô tô với nhau người ta thường quan tâm đến tính chất động lực học của ô tô, đây là một trong những tính chất rất quan trọng, nó được thể hiện qua các thông số lực kéo, công suất kéo, lực cản, vận tốc, gia tốc, quãng đường và thời gian tăng tốc. Tính chất động lực học của ô tô phụ thuộc vào nhiều thông số nhưng trước hết đó là các thông số kết cấu của ô tô như động cơ, hệ thống truyền lực. Tính chất động lực học của ô tô ảnh hưởng nhiều đến khả năng khởi hành, tăng tốc, vận tốc trung bình, năng suất và giá thành vận chuyển. Vận tốc chuyển động của ô tô là một trong các thông số quan trọng khi đánh giá tính chất động lực học của ô tô. Khi nghiên cứu chuyển động theo phương dọc của ô tô người ta thường xem xét tới các trường hợp tăng tốc, giảm tốc và lên dốc với các chế độ làm việc khác nhau của động cơ. Từ những yêu cầu đó, dưới sự hướng dẫn của thầy cô giáo tôi đã hoàn thành đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện chuyển động đến vận tốc của ô tô trang bị hộp số tự động”. Đây có thể là một tài liệu tham khảo cho việc thiết kế ô tô và hộp số tự động. Đề tài sẽ góp phần giảm chi phí, tiết kiệm thời gian và giảm giá thành sản phẩm do giảm được thời gian nghiên cứu thực nghiệm. Vì vậy, đề tài có ý nghĩa thực tiễn rất lớn nhất là trong lộ trình triển khai đề án phát triển ngành Công nghiệp ô tô Việt Nam đến năm 2025 đã được Chính phủ phê duyệt. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 2 2. Mục đích, nội dung và phạm vi nghiên cứu của đề tài 2.1 Mục đích nghiên cứu của đề tài Ô tô được trang bị hộp số tự động hiện nay đã trở rất phổ biến do hộp số này có ưu điểm nổi trội là giảm nhẹ sức lao động của người lái góp phần làm tăng tính an toàn chuyển động, đặc biệt là khi xe hoạt động trên các tuyến đường dài và trong điều kiện đô thị thường xuyên tắc đường. Vận tốc chuyển động của ô tô trang bị hộp số tự động phụ thuộc vào mức ga, tác động phanh và việc điều khiển tự động chuyển số trong hộp số tương ứng với điều kiện làm việc cụ thể của xe. Vì vậy, việc xác định vận tốc chuyển động của ô tô trang bị hộp số tự động là một vấn đề tương đối phức tạp. Xây dựng được một mô hình nghiên cứu cho phép xác định được vận tốc của ô tô trang bị hộp số tự động có cấp ở các điều kiện chuyển động khác nhau làm cơ sở cho việc nghiên cứu thiết kế hộp số tự động cho ô tô. 2.2 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện chuyển động đến vận tốc của ô tô trang bị hộp số tự động. Do hạn chế về mặt thời gian và kinh phí nên đề tài mới chỉ dừng lại ở việc nghiên cứu lý thuyết. 2.3 Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong luận văn là nghiên cứu lý thuyết, tính toán mô phỏng trên phần mềm Matlab Cách thức tiến hành là tách từng cụm trong hệ thống để nghiên cứu mô phỏng, trên cơ sở các cụm đã được xây dựng mô hình nghiên cứu ghép nối các cụm thành hệ thống truyền lực hoàn chỉnh. 2.4 Nội dung nghiên cứu Chương 1- Tổng quan về vấn đề nghiên cứu Chương 2 - Xây dựng mô hình mô phỏng ô tô trang bị hộp số tự động Chương 3 - Mô phỏng xác định vận tốc của ô tô trang bị hộp số tự động Kết luận, kiến nghị Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 3 Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Giới thiệu chung về hệ thống truyền lực 1.1.1. Vai trò của hệ thống truyền lực trên ô tô Hệ thống truyền lực (HTTL) 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 đường xá theo điều kiện sử dụng cụ thể. Về bản chất, hệ thống truyền lực là hệ thống truyền công suất của động cơ tới các bánh xe chủ động. Nếu gọi hiệu suất của HTTL là T thì mối quan hệ giữa công suất cực đại của động cơ Nemax với lực kéo tại các bánh xe chủ động Pk và vận tốc chuyển động của ô tô V được viết như sau: Biểu thức trên được mô tả bằng đồ thị là một đường hyperbol trên hình 1.1. Đồ thị này thường được gọi là đặc tính kéo lý tưởng, nó thể hiện khả năng sử dụng tối đa công suất của động cơ để đáp ứng các điều kiện chuyển động của ô tô. Hình 1.1. Đặc tính kéo lý tưởng của ô tô và khả năng đáp ứng của động cơ đốt trong. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 4 Trên thực tế, phạm vi hoạt động của ô tô rất rộng, nên lực kéo tại bánh xe và vận tốc chuyển động phải phải có khả năng thay đổi để đáp ứng các điều kiện chuyển động cụ thể. Với đặc tính kéo như trên hình 1.1 thì vùng làm việc khả dĩ của ô tô nằm bên dưới đường đặc tính lý tưởng và đường giới hạn khả năng bám. Tuy nhiên, động cơ sử dụng trên ô tô hiện nay chủ yếu vẫn là động cơ đốt trong, tồn tại dưới hai dạng là động cơ xăng và động cơ diesel. Các loại động cơ này không đáp ứng được vùng làm việc mong muốn theo đặc tính lý tưởng, 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). Như vậy, không thể kết nối trực tiếp động cơ với các bánh xe chủ động của ô tô mà cần có bộ phận truyền và biến đổi các thông số của động cơ sao cho phù hợp với điều kiện chuyển động thực tế. Bộ phận này chính là hệ thống truyền lực của ô tô. Để làm được điều này, hệ thống truyền lực được thiết kế như một bộ biến đổi mô men với hệ số biến đổi được gọi là tỷ số truyền iT. Khi đó, lực kéo tại bánh xe được tính như sau: Trong đó Me là mô men của động cơ và rk là bán kính của bánh xe. Hiện nay, hệ thống truyền lực của ô tô biến đổi mô men theo hai cách sau: - Biến đổi theo cấp: hệ thồng truyền lực có số tỷ số truyền xác định, mỗi tỷ số truyền tương ứng với một cấp số;- Biến đổi vô cấp: tỷ số truyền của hệ thống truyền lực thay đổi một cách liên tục trong vùng biến thiên của nó (giữa imax và imin). Đối với HTTL có cấp, mỗi tỷ số truyền tương ứng với một đường đặc tính kéo. Chẳng hạn, trên hình 1.2 thể hiện đặc tính kéo của ô tô có trang bị hệ thống truyền lực cơ khí 4 cấp cùng với các đường lực cản chuyển động và đường mô tả giới hạn bám giữa bánh xe và đường. Vùng làm việc của ô tô chính là vùng trắng trên đồ thị. Có thể nhận thấy rằng, hệ thống truyền lực có cấp chỉ có thể tạo được vùng làm việc theo đúng đặc tính kéo lý tưởng nếu nó Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 5 có vô số cấp. Trên thực tế điều này không thể thực hiện được. Vì vậy, tùy theo mục đích sử dụng và điều kiện làm việc của từng loại ô tô người ta lựa chọn số cấp số của hệ thống truyền lực sao cho phù hợp. Hình 1.2. Vùng làm việc của ô tô với hệ thống truyền lực cơ khí có 4 cấp. - HTTL vô cấp (Continuously Variable Transmission, viết tắt là CVT) thay đổi tỷ số truyền một cách liên tục. Nhờ đó, nó có thể cung cấp đường đặc tính tương tự như đặc tính lý tưởng trong vùng biến thiên tỷ số truyền của nó. Tuy nhiên, các loại truyền lực vô cấp trên ô tô hiện nay có vùng biến thiên tỷ số truyền tương đối hẹp nên không đáp ứng được trọn vẹn mọi điều kiện chuyển động của ô tô. Vì vậy, các bộ truyền vô cấp thường được sử dụng song hành với bộ truyền cơ khí truyền thống. Chẳng hạn, biến mô thủy lực luôn được sử dụng cùng với một hộp số cơ khí, còn bộ truyền đai vô cấp thì phải đi cùng với một hộp giảm tốc bánh răng. 1.1.2. Chức năng của hệ thống truyền lực Với vai trò là bộ phận trung chuyển công suất từ động cơ tới các bánh xe chủ động, hệ thống truyền lực phải đảm bảo các chức năng cụ thể dưới đây: - Giúp cho ô tô khởi hành từ trạng thái đứng yên, vì động cơ đốt trong chỉ có thể làm việc trong một dải tốc độ nhất định. Nó không thể tăng tốc từ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 6 vận tốc bằng không. Vì vậy, hệ thống truyền lực phải có cơ cấu cho phép ô tô khởi hành từ trạng thái tĩnh. - Tăng mô men của động cơ để tạo được mô men (lực kéo) tại bánh xe đủ lớn trong những trường hợp cần thiết. Động cơ đốt trong thường có mô men xoắn không lớn, nếu được truyền trực tiếp tới bánh xe thì nó không đủ để khắc phục điều kiện cản chuyển động khi xe khởi hành, tăng tốc hoặc chuyển động trên đường xấu, có độ dốc lớn. Vì vậy, hệ thống truyền lực phải có chức năng tăng mô men của động cơ. Hệ số tăng mô men chính là tỷ số truyền của hệ thống truyền lực. - Thay đổi tỷ số truyền để có được lực kéo và vận tốc tại bánh xe thay đổi trong dải rộng đáp ứng mọi điều kiện hoạt động ô tô khi chuyển động trên các loại đường khác nhau. Chức năng này khắc phục nhược điểm của động cơ đốt trong là khả năng thích ứng rất hạn chế, nghĩa là vùng thay đổi mô men của nó rất hẹp. - Đảo chiều chuyển động trong hệ thống truyền lực để tạo số lùi. Động cơ đốt trong trên ô tô chỉ quay được theo một chiều, nên muốn lùi được thì phải có cơ cấu đảo chiều trong hệ thống truyền lực - Ngắt dòng công suất từ động cơ xuống các bánh xe chủ động để khi dừng xe không cần phải tắt máy. Việc khởi động động cơ đốt trong khá phức tạp, nên người ta chỉ tắt nó khi cần thiết. Vì vậy, hệ thống truyền lực cần phải có cơ cấu ngắt dòng công suất từ động cơ xuống các bánh xe chủ động để khi dừng xe không cần phải tắt máy. Chức năng này có thể được thực hiện nhờ bộ ly hợp hoặc số “0” trong hộp số. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 7 1.1.3. Các bộ phận chính trong hệ thống truyền lực Để đảm bảo được các nhiệm vụ nêu trên, HTTL của ô tô bao gồm những bộ phận chức năng chính như ly hợp, hộp số, truyền động các đăng và cầu chủ động. Ly hợp là bộ phận có nhiệm vụ ngắt và nối đường truyền công suất từ động cơ tới HTTL và đảm bảo cho ô tô khởi hành một cách êm dịu. Hiện nay, trên các loại ô tô sử dụng chủ yếu ly hợp ma sát cho HTTL cơ khí và ly hợp thủy lực (hoặc biến mô thủy lực) cho hộp số thủy cơ. Hộp số là bộ phận đảm nhiệm chức năng thay đổi tỷ số truyền trong HTTL. Trong đại đa số trường hợp, hộp số sử dụng trên ô tô hiện nay là hộp số kiểu bánh răng. Việc thay đổi tỷ số truyền được thực hiện bằng cách thay đổi đường truyền qua các bộ truyền bánh răng. Đối với HTTL vô cấp thì hộp số được thay bằng bộ biến đổi mô men (đai, xích, con lăn, thủy lực) có tỷ số truyền thay đổi liên tục. Truyền động các đăng đảm bảo việc kết nối trục ra của hộp số với trục vào cầu chủ động trong trường hợp động cơ đặt xa cầu chủ động và hai trục cần liên kết không đồng trục với nhau. Trên ô tô con dẫn động cầu trước với động cơ đặt ở phía đầu xe thì không có truyền động các đăng do toàn bộ HTTL được bố trí trong cùng một khối. Cầu chủ động là bộ phận cuối cùng trong hệ thống, nó truyền mô men tới các bánh xe chủ động. Trong cầu chủ động thường 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 HTTL. Bộ vi sai được 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 đường gồ ghề. Các bán trục có nhiệm vụ truyền mô men tới các bánh xe chủ động. 1.1.4. Phân loại hệ thống truyền lực HTTL thường được phân loại theo phương pháp truyền mô men thành các dạng sau: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 8 - HTTL cơ khí: + Có cấp; + Vô cấp; - HTTL thủy lực: + Thủy động; + Thủy tĩnh; - Hệ thống truyền lực thủy cơ: kết hợp truyền lực cơ khí và truyền lực thủy lực. - HTTL điện. Hiện nay, trên ô tô sử dụng chủ yếu các hệ thống truyền lực bằng cơ khí và thủy cơ kết hợp truyền lực cơ khí và truyền lực thủy động (biến mô thủy lực). HTTL thủy tĩnh được sử dụng nhiều trên một số phương tiện tự hành máy móc thi công, khai thác mỏ và máy nâng chuyển hàng trong các kho bãi, sân bay, bến cảng, … HTTL điện có thể gặp trên ô tô lai (hybrid) hoặc trên một số ô tô đặc chủng. Theo cách thay đổi tỷ số truyền, HTTL được phân thành hai loại: HTTL có cấp và HTTL vô cấp. Theo phương pháp điều khiển, HTTL được phân loại như sau: HTTL điều khiển bằng tay, HTTL tự động và HTTL bán tự động. 1.2 Tổng quan về hộp số tự động 1.2.1 Lịch sử phát triển hộp số tự động Hộp số là bộ phận quan trọng trong hệ thống truyền lực của ô tô, nó có chức năng chính là biến đổi mô men và tốc độ của động cơ truyền tới bánh xe chủ động sao cho phù hợp với điều kiện chuyển động. Trong lịch sử phát triển của mình, hộp số ngày càng được hoàn thiện hơn nhằm nâng cao hiệu suất, tính tiện lợi sử dụng và hiệu quả hoạt động của động cơ. Bộ phận cơ bản trong các hộp số là các bánh răng đã được con người sử dụng từ hơn 1000 năm nay để giảm nhẹ sức lao động cho con người và súc vật. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 9 Những thiết kế bánh răng đầu tiên xuất hiện từ thời trung cổ với nguồn động lực thời bấy giờ chính là con người hoặc súc vật. Những chiếc ô tô đầu tiên xuất hiện vào cuối thế kỷ thứ 19 với các hộp số kiểu bánh răng, điều khiển bằng tay. Tuy nhiên, ô tô chỉ bắt đầu được sản xuất hàng loạt vào khoảng những năm 1925 trở lại đây. Từ đó đến nay, hộp số và hệ thống truyền lực của ô tô ngày càng được hoàn thiện hơn. Trong lịch sử phát triển của mình, hộp số ô tô được phát triển theo những hướng chính như sau: - Hộp số cơ khí có cấp; - Hộp số tự động; - Hệ thống truyền lực vô cấp; - Hệ thống truyền lực hybrid. Hộp số cơ khí có cấp xuất hiện cùng với những chiếc ô tô đầu tiên và nó cũng bắt đầu phát triển mạnh từ những năm 20 của thế kỷ trước. Những cải tiến kỹ thuật đối với hộp số cơ khí chủ yếu nhằm vào việc cải thiện quá trình chuyển số. Lịch sử phát triển và hoàn thiện hộp số cơ khí có thể được chia thành 4 giai đoạn. Trong giai đoạn đầu, các hộp số được chế tạo với các bánh răng di trượt. Để gài một số nào đó người ta trượt một bánh răng dọc trục để nó ăn khớp với bánh răng cùng cặp. Cách gài số này thường gây nên va đập giữa các răng, tạo tiếng ồn, khó vào số và dễ gây hỏng răng. Vì vậy, ở giai đoạn thử hai các hộp số được thiết kế với các cặp bánh răng luôn ăn khớp, việc gài số được thực hiện nhờ các khớp răng. Tiến bộ vượt bậc của các hộp số trong giai đoạn thứ ba là việc sử dụng các khớp gài có đồng tốc, nhờ đó quá trình gài số được êm dịu và dễ dàng hơn, giảm tối đa tái trọng động tác dụng lên hộp số và hệ thống truyền lực. Giai đoạn phát triển cuối cùng đối với hộp số cơ khí được tập trung vào việc tự động hóa quá trình chuyển số. Việc tự động hóa có thể là từng phần hoặc toàn phần tùy theo trường hợp cụ thể. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 10 Trên thực tế, để thực hiện quá trinh chuyển số, cần phải thực hiện các thao tác cơ bản sau: ngắt ly hợp, gài số và đóng ly hợp. Như vậy, để chuyển số cần thực hiện 2 tác động điều khiển: điều khiển ly hợp và điều khiển cơ cấu gài số. Việc tự động hóa quá trình chuyển số có thể chỉ bao gồm một trong hai thao tác trên (tự động hóa một phần) hoặc tự động hóa cả hai (tự động hóa toàn phần), Những cố gắng đầu tiên trong việc tự động hóa một phần quá trình chuyển số bắt đầu xuất hiện từ năm 1915. Khi đó, hãng ZF đã sản xuất hộp số cơ khí với các cặp bánh răng luôn ăn khóp có quá trình điều khiển cơ cấu gài số được tự động hóa. Nhờ đó, người lái chỉ phải làm động tác chọn số và tác động lên bàn đạp ly hợp. Do có kết cấu phức tạp và quá trình chuyển số khó khăn, nên hộp số này đã không được tiếp tục phát triển. Những năm sau đó cho tới trước Chiến tranh Thế giới thứ hai, ZF và một số hãng khác như General Motors và Maybach đã nghiên cứu tự động hóa một phần quá trình điểu khiển các loại hộp số có bộ đồng tốc. Tuy nhiên, phải đến sau Chiến tranh Thế giới thứ hai, khi ngành công nghiệp ô tô thế giới phát triển mạnh, việc hoàn thiện các hộp số mới được quan tâm nhiều hơn. Năm 1956, Fichtel & Sachs sản xuất ô tô con DKW (tiền thân của Audi hiện nay) có trang bị ly hợp bán tự động Saxomat điều khiển bằng điện nhằm tự động hóa một phần quá trình chuyển số. Khi người lái tác động lên cần điều khiển để chuyển số thì hệ thống điều khiển tự động ngắt ly hợp và đóng nó lại sau khi quá trình sang số được hoàn tất. Một ví dụ nữa trong quá trình hoàn thiện hộp số ô tô là hộp số bán tự động 3 cấp có biến mô thủy lực cho ô tô con của VW sản xuất (1967). Bắt đầu từ năm 1995, các nhà sản xuất đã cho ra đời thế hệ mới các hộp số cơ khí được tự động hóa quá trình điều khiển sử dụng trên ô tô con và ô tô tải, ô tô chở khách loại nhỏ (dưới 3,5 tấn). Thế hệ hộp số này được chế tạo theo hướng lấy nguyên các hộp số cơ khí có sẵn trên các ô tô đang sản xuất hàng loạt và chế tạo thêm vào đó các bộ phận điều khiển được tự động hóa (“addSố hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn