Đồ án mô phỏng hoạt động hộp số tự động A343E bằng Matlab Simulink HCMUTE

Đồ án HCMUTE mô phỏng hoạt động hộp số tự động A343E bằng Matlab Simulink. Tài liệu phân tích nguyên lý, cấu tạo và xây dựng mô hình điều khiển chi tiết.

• Tác giả: Nguyễn Chí Văn
• Người hướng dẫn: ThS. Dương Nguyễn Hắc Lân
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật ô tô
• Đề tài: Mô phỏng hoạt động hộp số tự động A343E bằng phần mềm Matlab/Simulink
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về hộp số tự động A343E và mô phỏng Matlab Simulink

Hộp số tự động A343E là một hệ thống truyền lực thủy lực tiên tiến, được ứng dụng rộng rãi trên xe Toyota Fortuner 2015. Đây là loại hộp số hành tinh 4 cấp, sử dụng bộ biến mô thủy lực để truyền công suất từ động cơ đến trục sơ cấp. Hệ thống điều khiển bao gồm ECU động cơ (ECM) và ECU hộp số (ECT) phối hợp hoạt động thông qua các van điện từ điều khiển áp suất thủy lực. Phần mềm MATLAB/Simulink cung cấp môi trường mô phỏng mạnh mẽ, cho phép tái hiện chính xác cấu trúc cơ học, thủy lực và điều khiển của hộp số. Việc mô phỏng giúp tối ưu hóa quá trình chuyển số, giảm thiểu tổn thất năng lượng và nâng cao hiệu suất truyền động.

1.1. Cấu tạo chính của hộp số A343E

Hộp số A343E bao gồm năm thành phần chính: bộ biến mô thủy lực, bộ truyền động bánh răng hành tinh, hệ thống điều khiển thủy lực, ECU động cơ/ECT, và hệ thống làm mát dầu. Bộ biến mô thủy lực gồm roto dẫn, roto bị dẫn và stator, hoạt động dựa trên nguyên lý biến đổi động năng chất lỏng thành momen xoắn. Bộ truyền động hành tinh gồm ba cụm bánh răng (trước, sau, OD) kết hợp với các ly hợp ma sát và phanh đĩa điều khiển bằng thủy lực. Hệ thống thủy lực cung cấp áp suất ổn định cho các cơ cấu chấp hành thông qua bơm dầu.

1.2. Nguyên lý hoạt động cơ bản

Nguyên lý hoạt động dựa trên sự kết hợp giữa truyền động thủy lực (biến mô) và truyền động cơ khí (bánh răng hành tinh). Động cơ truyền momen đến biến mô, nơi dầu thủy lực tăng momen ban đầu. ECU phân tích tín hiệu từ cảm biến (tốc độ động cơ, tải, vị trí bàn đạp ga) để điều khiển van điện từ, tạo áp suất thủy lực tác động lên các ly hợp/phanh. Quá trình chuyển số xảy ra khi ECU thay đổi trạng thái các van, thay đổi tỷ số truyền thông qua sự kết hợp khác nhau của các cụm bánh răng hành tinh.

II. Phân tích cấu trúc và bài toán kỹ thuật trong mô phỏng

Mô phỏng hộp số A343E trên MATLAB/Simulink đòi hỏi phân tích chi tiết cấu trúc cơ học và thủy lực. Bài toán chính là tái hiện chính xác tỷ số truyền, quá trình chuyển số, và tương tác giữa các thành phần. Hệ thống bao gồm mô hình vật lý (Simscape Driveline) kết hợp với điều khiển logic (Simulink). Thách thức chính là mô phỏng chính xác hành vi thủy lực của biến mô, đặc biệt trong giai đoạn khởi động và chuyển số. Ngoài ra, cần xác định chính xác thông số bánh răng hành tinh (số răng, tỷ số truyền) và đặc tính van điện từ. Sai số trong mô hình sẽ dẫn đến kết quả mô phỏng không chính xác, ảnh hưởng đến đánh giá hiệu suất hệ thống.

2.1. Đặc tính động học của bộ truyền hành tinh

Bộ truyền hành tinh A343E gồm ba cụm: trước (2.522), sau (1.522), và OD (0.705). Tỷ số truyền được xác định bởi trạng thái hoạt động của ly hợp/phanh. Ví dụ, khi chuyển số từ D1 sang D2, ly hợp C1 ngắt và ly hợp C2 hoạt động, thay đổi đường truyền lực qua cụm bánh răng sau. Mô phỏng cần tái hiện sự thay đổi tỷ số truyền này thông qua khối Planetary Gear trong Simulink, với thông số đầu vào là số răng của bánh răng bao, bánh răng mặt trời, và cần dẫn (Zc = Zr + Zs).

2.2. Mô hình thủy lực của biến mô

Biến mô thủy lực hoạt động dựa trên nguyên lý truyền động chất lỏng, nơi roto dẫn (kết nối động cơ) truyền động năng đến dầu, sau đó dầu tác động lên roto bị dẫn (kết nối hộp số). Đặc tính quan trọng là hệ số tăng momen (K) và hiệu suất truyền (η), phụ thuộc vào tỷ số tốc độ (Nt/Np). Mô hình Simulink sử dụng khối Torque Converter, với thông số đầu vào là momen động cơ, tốc độ động cơ, và tải. Sai lệch trong mô hình thủy lực sẽ dẫn đến sai số lớn trong kết quả momen đầu ra.

III. Phương pháp xây dựng mô hình mô phỏng trên Matlab Simulink

Xây dựng mô hình bắt đầu từ việc tái hiện cấu trúc vật lý của hộp số A343E bằng thư viện Simscape Driveline. Mô hình bao gồm các khối cơ bản: biến mô thủy lực, bánh răng hành tinh, ly hợp ma sát, phanh đĩa, trục truyền, và tải. Điều khiển hệ thống được mô phỏng bằng Simulink, sử dụng các khối logic (If-Else, Switch) để điều khiển trạng thái ly hợp/phanh dựa trên tín hiệu tốc độ động cơ và tải. Quá trình chuyển số được lập trình thông qua bảng điều khiển (lookup table) chứa dữ liệu tỷ số truyền theo tốc độ động cơ. Mô hình được hiệu chỉnh bằng cách so sánh kết quả mô phỏng với dữ liệu thực tế từ xe Toyota Fortuner 2015.

3.1. Thiết lập mô hình vật lý trong Simscape

Khối Torque Converter mô phỏng biến mô, với thông số đầu vào là momen động cơ, tốc độ động cơ, và tải. Ba khối Planetary Gear đại diện cho cụm trước, sau, và OD, với thông số tỷ số truyền nhập thủ công. Khối Disk Friction Clutch mô phỏng ly hợp/phanh, điều khiển bởi tín hiệu từ Simulink. Trục truyền lực kết nối các khối, với tải được mô hình bằng khối Inertia. Mô hình vật lý cần đảm bảo sự tương thích giữa các khối, tránh xung đột tín hiệu.

3.2. Lập trình hệ thống điều khiển

Hệ thống điều khiển được xây dựng bằng các khối logic, sử dụng tín hiệu từ cảm biến tốc độ động cơ (ωe) và tải (Tload) để quyết định trạng thái chuyển số. Bảng điều khiển (Shift Schedule) chứa dữ liệu tỷ số truyền theo ωe, ví dụ: D1 khi ωe < 2000 rpm, D2 khi 2000 < ωe < 3000 rpm. Tín hiệu điều khiển được truyền đến các khối Disk Friction Clutch thông qua khối PWM Generator, điều khiển áp suất thủy lực mô phỏng. Mô hình điều khiển cần được kiểm tra tính ổn định và khả năng phản hồi nhanh chóng.

IV. Kết quả mô phỏng và ứng dụng thực tiễn

Mô phỏng hộp số A343E trên MATLAB/Simulink cho kết quả chính xác về quá trình chuyển số, momen truyền, và hiệu suất hệ thống. Kết quả cho thấy hộp số hoạt động ổn định ở các chế độ D1, D2, D3, OD, với thời gian chuyển số dưới 0.5 giây. Mô phỏng cũng phát hiện các điểm yếu trong hệ thống điều khiển, chẳng hạn như độ trễ trong quá trình chuyển số khi tải cao. Những kết quả này có thể được ứng dụng để tối ưu hóa ECU, cải thiện trải nghiệm lái xe. Ngoài ra, mô hình có thể được mở rộng để nghiên cứu các hộp số tự động thế hệ mới, hoặc tích hợp với hệ thống hybrid.

4.1. Phân tích kết quả mô phỏng

Kết quả mô phỏng bao gồm đồ thị momen đầu ra, tốc độ động cơ, và trạng thái ly hợp/phanh theo thời gian. Tại chế độ D1, momen đầu ra đạt 350 Nm ở tốc độ động cơ 1500 rpm, tương ứng với tỷ số truyền 2.522. Quá trình chuyển số từ D1 sang D2 diễn ra trong 0.3 giây, với momen truyền giảm nhẹ do sự trượt của biến mô. Đồ thị hiệu suất cho thấy hiệu suất truyền đạt 92% ở chế độ D3, giảm xuống 85% ở chế độ OD do tổn thất thủy lực.

4.2. Ứng dụng trong nghiên cứu và giảng dạy

Mô hình mô phỏng có thể được sử dụng trong giảng dạy về hệ thống truyền lực ô tô, giúp sinh viên hiểu rõ nguyên lý hoạt động của hộp số tự động. Ngoài ra, mô hình có thể được tích hợp vào các phần mềm thiết kế hệ thống điều khiển, hỗ trợ kỹ sư trong quá trình phát triển sản phẩm. Các kết quả mô phỏng cũng cung cấp dữ liệu đầu vào cho các thuật toán học máy, nhằm tối ưu hóa quá trình chuyển số trong thời gian thực.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1. Lý do chọn đề tài Cùng với sự tiến bộ về khoa học kỹ thuật các ngành công nghiệp trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng đang càng ngày càng phát triển. Ngành công nghiệp ô tô cũng không phải là ngoại lệ, hộp số trên ô tô đã được cải tiến rất nhiều so với những ngày đầu.

Sự ra đời của hộp số tự động với nhiều ưu điểm nổi bật hơn so với hộp số thường, nâng cao hiệu suất hoạt động, mang lại tỷ số truyền phù hợp, tối ưu momen xoắn của động cơ làm sao để phù hợp với điều kiện chuyển động của xe và để tăng tính tiết kiệm nhiên liệu của xe. Cũng chính vì lí do đó việc nghiên cứu thiết kế và thử nghiệm các loại hộp số tự động khác nhau được chú trọng. Trong điều kiện hiện nay thông qua các phần mềm chuyên nghiệp trên máy tính ta có thể tính toán, mô phỏng và kiểm nghiệm được nhanh chóng và hiệu quả các mô hình động học. Một trong những phần mềm có kho thư viện rộng lớn để hỗ trợ con người trong lĩnh vực này là Matlab/Simulink.

Chính vì những lí do trên, nhóm chúng em đã quyết định chọn đề tài “Mô phỏng hoạt động hộp số tự động A343E bằng phần mềm Matlab/Simulink”. Từ kết quả đã có được nhằm tạo ra cơ sở cho công việc nghiên cứu chuyên ngành ô tô, cũng như có thể sử dụng như một tài liệu mang tính tham khảo trong quá trình đào tạo. Mục tiêu nghiên cứu Sử dụng phần mềm Matlab/Simulink mô hình hóa hệ thống truyền lực của xe Toyota Fortuner 2015 phiên bản sử dụng hộp số tự động A343E. Từ mô hình đã xây dựng tiến hành mô phỏng hoạt động của hệ thống từ đó rút ra kết luận và hướng phát triển của đề tài.

Nội dung nghiên cứu Đề tài thực hiện “Mô phỏng hoạt động hộp số tự động A343E bằng phần mềm Matlab/Simulink” cụ thể của dòng xe Toyota Fortuner sẽ tập trung nghiên cứu các nội dung sau:  Thông số kích thước, đặc tính động cơ của xe Toyota Fortuner V 2. 1  Cấu tạo, đặc tính hộp số và nguyên lý hoạt động của hộp số tự động A343E sử dụng trên xe Toyota Fortuner 2015.  Mô phỏng hệ thống bằng phần mềm Matlab/Simulink sử dụng thư viện Simscape. Kết quả đạt được là đồ thị tốc độ của xe, tốc độ và momen xoắn của các bộ phận trong hệ thống truyền lực, trạng thái hoạt động của các tay số khi mô phỏng.

Hoạt động của mô hình khi có yếu tố tác động như độ dốc, gió thổi. Phương pháp nghiên cứu Để hoàn thành đồ án và đạt được các mục tiêu ban đầu của đề tài, nhóm chúng em đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau:  Tổng hợp lý thuyết từ “Lý thuyết ô tô”, “Tính toán và thiết kế ô tô”, thông số của xe và của hộp số từ hãng Toyota cũng như tham khảo kiến thức từ giáo viên hướng dẫn.  Phương pháp mô phỏng sử dụng phần mềm Matlab/Simulink để mô phỏng hoạt động của hộp số (thư viện Simscape Driveline, Stateflow, Dashboard). Phạm vi nghiên cứu  Quá trình mô phỏng hệ thống được thực hiện bằng phần mềm Matlab/Simulink.

 Mô phỏng hoạt động của hộp số tự động A343E khi cần số ở vị trí D.  Kết quả đầu ra của quá trình mô phỏng bao gồm tốc độ và momen xoắn (động cơ, trục sơ cấp, trục thứ cấp, bánh xe).  Quá trình chuyển số của hộp số trong mô phỏng chỉ xét tới 2 tín hiệu là độ mở bướm ga và tốc độ xe. Kế hoạch thực hiện Tuần Nội dung công việc 32 (28/03-3/4) Nhận đề tài 33 (04/4-10/4) 34 (11/4-17/4) Tìm hiểu cơ sở lý thuyết của đề tài 35 (18/4-24/4) 36 (25/4-01/5) Tìm hiểu ngôn ngữ lập trình Matlab và giao diện Simulink 37 (02/5-08/5) 2 38 (09/5-15/5) Tìm thông số hệ thống để mô phỏng 39 (16/5-22/5) Chạy các mô hình ví dụ của Matlab 40 (23/5-29/5) Lập trình Matlab và vẽ các đồ thị (tham khảo) 41 (30/5-05/6) 42 (06/6-12/6) 43 (13/6-19/6) Tạo mô hình hệ thống truyền lực sử dụng hộp số A343E trong 44 (20/6-26/6) môi trường Simulink 45 (27/6-03/7) 46 (04/7-10/7) 47 (11/7-17/7) Hoàn thiện đồ án 48 (18/7-24/7) Hoàn thiện đồ án và nộp minh chứng NCKH 49 (25/7-31/7) Hoàn thiện đồ án 50 (01/8-07/8) Hoàn thiện đồ án 51 (08/8-14/8) Nộp đồ án tốt nghiệp 52 (15/8-21/8) Chấm và phản biện đồ án tốt nghiệp 3 CHƯƠNG 2.

GIỚI THIỆU HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC, HỘP SỐ A343E SỬ DỤNG ĐỂ MÔ PHỎNG VÀ PHẦN MỀM MATLAB/SIMULINK 2. Giới thiệu hệ thống truyền lực trên xe ô tô Hệ thống truyền lực là một hệ thống quan trọng trên xe. Ô tô muốn di chuyển được thì phải nhờ tới chuyển động quay tròn của bánh xe. Khi động cơ hoạt động sẽ sinh ra momen xoắn.

Hệ thống truyền lực chính là bộ phận sẽ đảm nhận nhiệm vụ truyền momen xoắn này từ động cơ đến bánh xe. Hệ thống sẽ đóng vai trò điều khiển toàn bộ sự di chuyển của xe như tăng, giảm tốc, di chuyển tới hoặc lùi. Hệ thống truyền lực cũng sẽ ảnh hưởng tới khả năng vận hành êm ái của xe ở các điều kiện vận hành khác nhau như lên xuống dốc, vận hành trong điều kiện thời tiết có gió thổi. Tùy vào từng hãng xe cũng như phân khúc khác nhau mà mỗi xe có thể sử dụng một hệ thống truyền lực có vị trí đặt hoặc cấu tạo các bộ phận có sự khác biệt.

Ba hệ thống truyền lực đang được sử dụng nhiều nhất và có độ hiệu quả cao mà các dòng xe hiện nay đang sử dụng là:  Động cơ đặt trước-Cầu trước chủ động (FF) Ưu điểm của hệ dẫn động này là lực được truyền từ động cơ phân phối tới bánh xe với quãng đường ngắn hơn. Từ đó sự thất thoát hao tổn về lực sẽ được giảm đi. Ngoài ra hai bánh trước nằm sát vị trí người lái, tài xế sẽ chủ động hơn khi di chuyển trên đường trơn trượt hoặc cua gấp.  Động cơ đặt trước-Cầu sau chủ động (FR) Ưu điểm làm mát động cơ nhanh hơn, lực đẩy phụ thuộc vào bánh sau giúp thân xe cân bằng hơn.

Tuy nhiên nhược điểm lớn nhất của kiểu bố trí này là quãng đường truyền xa nên công suất thất thoát lớn hơn.  Hệ thống truyền lực 4 bánh chủ động (4WD) Hệ thống có cấu tạo tương đối phức tạp. Với kiểu hệ thống truyền lực này công suất được sinh ra từ động cơ sẽ được chia đều ra cả 4 bánh xe. Chính vì lí do đó xe sẽ vận hành một cách mạnh mẽ, tin cậy và an toàn.

Về cấu tạo của hệ thống truyền lực trên xe ô tô sẽ bao gồm 4 bộ phận chính:  Ly hợp: có chức năng chính là nối và ngắt công suất động cơ chính xác và kịp thời. Là nhân tố tác động tới khả năng tăng tốc nhanh và mượt mà của xe. 4  Hộp số: nhiệm vụ chính là truyền chuyển động quay và momen xoắn của trục khuỷu đến các bánh xe chủ động. Hộp số trên xe ô tô được phân loại thành hai loại là hộp số thường và hộp số tự động.

Hộp số có những yêu cầu quan trọng như phải hoạt động dễ dàng, nhanh chóng và chính xác, có độ bền cao, thiết kế gọn nhẹ, truyền lực phải êm dịu và sửa chữa dễ dàng.  Trục các đăng: là một ống thép được thiết kế đủ độ bền để chịu được lực xoắn và uốn. Trục các đăng được sử dụng trên xe dùng hệ thống truyền lực FR và 4WD có nhiệm vụ truyền công suất từ hộp số đến bộ vi sai.  Bộ vi sai: là bộ phận kết nối cuối cùng trước khi lực được truyền từ động cơ đến các bánh xe.

Bộ vi sai đóng vai trò là cầu nối trung gian truyền lực. Ngoài ra nó còn có chức năng điều khiển tốc độ vòng quay của bánh xe trái phải một cách độc lập. Giới thiệu hộp số tự động A343E trên xe Toyota Fortuner 2015 Hộp số A343E là hộp số tự động được trang bị trên xe TOYOTA FORTUNER V 2.7 AT 4x2 2015 phiên bản máy xăng. Hộp số A343E có 4 số tiến và 1 số lùi sử dụng bộ truyền động bánh răng hành tinh được điều khiển bằng bộ điều khiển thủy lực và quá trình chuyển số sẽ được điều khiển bằng ECU.1: Hộp số A343E [1] Hộp số A343E bao gồm các thành phần chính sau đây:  Bộ biến mô thủy lực: được lắp ở đầu vào của chuỗi bánh răng truyền động hộp số và được bắt bằng bu lông vào trục khuỷu thông qua tấm truyền động.

5  Bộ truyền động bánh răng hành tinh: được đặt trong vỏ hộp số chế tạo bằng hợp kim nhôm. Nó thay đổi tốc độ đầu ra của hộp số và/hoặc chiều quay, sau đó truyền chuyển động này đến bộ truyền động cuối cùng.  Bộ điều khiển thủy lực: tạo ra áp suất thủy lực đưa dầu hộp số đến các ly hợp, phanh và các bộ phận khác của hệ thống điều khiển thủy lực.  ECU động cơ và ECT: điều khiển thời điểm chuyển số và khóa biến mô bằng cách điều khiển các van điện từ của bộ điều khiển thủy lực để duy trì điều kiện lái tối ưu với việc dùng các cảm biến và các công tắc lắp trên động cơ và hộp số tự động.

Bộ biến mô thủy lực Bộ biến mô thủy lực trong hộp số tự động A343E được đổ đầy bằng dầu hộp số tự động, nó sẽ làm tăng momen do động cơ tạo ra và truyền momen này đến hộp số hoặc là đóng vai trò như một khớp nối thủy lực truyền momen đến hộp số. Chức năng của bộ biến mô:  Tăng momen do động cơ tạo ra.  Đóng vai trò như một ly hợp thủy lực để truyền (hay không truyền) momen 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 đều chuyển động quay của động cơ.  Dẫn động bơm dầu của bộ điều khiển thủy lực.2: Cấu tạo biến mô thủy lực [2] 2. Bộ truyền động bánh răng hành tinh Một bộ các bánh răng hành tinh là một loạt các bánh răng ăn khớp trong bao gồm: bánh răng mặt trời, một vài bánh răng hành tinh, cần dẫn nối các bánh răng hành tinh với bánh răng bao và một bánh răng bao bên ngoài. Các bánh răng này được gọi là bộ các bánh răng hành tinh do các bánh răng hành tinh quay tương tự như các hành tinh quay xung quanh mặt trời.