Đồ án: Tìm hiểu và mô phỏng đặc tính hệ thống truyền lực ô tô bằng Matlab

Tài liệu mô phỏng hệ thống truyền lực ô tô bằng Matlab. Phân tích đặc tính động cơ, ly hợp, hộp số và cung cấp mã code tham khảo chi tiết.

• Tác giả: Trịnh Ngọc Tấn
• Người hướng dẫn: PGS. Huỳnh Thanh Công
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Ô Tô
• Đề tài: Hệ Thống Truyền Lực Ô Tô: Mô Phỏng Một Số Đặc Tính Tiêu Biểu Của Hệ Thống Truyền Lực Trên Ô Tô Hiện Đại Sử Dụng Matlab
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Hệ thống Truyền lực Ô tô

Hệ thống truyền lực ô tô là một trong những bộ phận quan trọng nhất của phương tiện, chịu trách nhiệm truyền công suất từ động cơ đến bánh xe. Hệ thống này bao gồm nhiều thành phần phức tạp như ly hợp, hộp số, khớp các-đăng và bộ vi-sai. Mỗi bộ phận đều có vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hiệu suất làm việc tối ưu của xe. Hiểu rõ về cơ chế hoạt động và đặc tính kỹ thuật của hệ thống truyền lực giúp các kỹ sư và sinh viên ngành ô tô nắm vững kiến thức cơ bản. Việc mô phỏng và phân tích các đặc tính này bằng công cụ hiện đại như Matlab mang lại những lợi ích to lớn trong thiết kế, phát triển và tối ưu hóa các hệ thống truyền lực.

1.1. Cấu trúc và Thành phần Chính

Hệ thống truyền lực bao gồm các thành phần chủ yếu: động cơ, ly hợp, hộp số cơ khí hoặc tự động, trục truyền, khớp các-đăng và bộ vi-sai. Mỗi thành phần có chức năng riêng biệt nhưng hoạt động đồng bộ để truyền mô-men xoắn hiệu quả. Ly hợp kết nối/ngắt động cơ với hộp số, hộp số thay đổi tỉ số truyền, khớp các-đăng cho phép các trục quay với tốc độ khác nhau, còn bộ vi-sai phân chia lực kéo tới các bánh xe chủ động.

1.2. Tầm quan trọng của Mô phỏng

Mô phỏng hệ thống truyền lực bằng Matlab cho phép phân tích chi tiết các đặc tính động học và mô-men của từng bộ phận mà không cần chi phí thực nghiệm cao. Kỹ sư có thể kiểm tra hiệu suất, dự đoán hành vi của hệ thống dưới các điều kiện làm việc khác nhau, và tối ưu hóa thiết kế trước khi sản xuất thực tế.

II. Mô hình Động cơ và Đặc tính Hoạt động

Động cơ ô tô là nguồn cung cấp năng lượng cho hệ thống truyền lực, chuyển đổi năng lượng hóa học thành năng lượng cơ học dưới dạng mô-men xoắn. Mô phỏng mô hình động cơ trong Matlab cần xem xét nhiều yếu tố như quá trình đốt cháy, lực piston, mô-men quán tính của thanh truyền và tốc độ vòng quay. Các thông số như áp suất trong buồng đốt, lực của piston và lực tác dụng lên vòng bi trục khuỷu được tính toán chi tiết. Qua mô phỏng, ta có thể quan sát sự biến đổi mô-men động cơ theo tốc độ quay khác nhau (từ 1000 đến 4500 vòng/phút), từ đó đánh giá hiệu suất hoạt động của động cơ trong các điều kiện khác nhau.

2.1. Các Lực tác dụng trong Động cơ

Trong quá trình hoạt động, động cơ chịu tác dụng của nhiều lực phức tạp: lực từ quá trình đốt cháy tác dụng lên piston, lực quán tính của thanh truyền, và lực ma sát trong các khớp. Mô phỏng Matlab giúp tính toán chính xác các lực này, tạo ra đồ thị biến đổi cho phép kỹ sư phân tích chi tiết.

2.2. Tốc độ và Mô men tại các GQTK

Mô phỏng cho thấy tốc độ động cơ và mô-men xoắn thay đổi tuỳ theo vị trí xilanh (GQTK). Các đồ thị biểu diễn sự biến đổi tốc độ tại các góc quay trục khuỷu khác nhau, cung cấp thông tin quý báu về đặc tính động học của động cơ.

III. Hệ thống Ly hợp và Quá trình Ăn khớp

Ly hợp là bộ phận thiết yếu trong hệ thống truyền lực, có chức năng kết nối hoặc ngắt mối liên hệ giữa động cơ và hộp số. Trong quá trình ăn khớp ly hợp, động cơ và bánh đà tương tác qua bề mặt ma sát để truyền mô-men. Mô phỏng ly hợp bằng Matlab cho phép phân tích sự thay đổi mô-men, tốc độ và lực ma sát trong suốt quá trình ăn khớp. Các kết quả mô phỏng tại các vòng quay ban đầu khác nhau (1000, 2000, 3000, 4000, 4500 vòng/phút) thể hiện cách hành vi ăn khớp thay đổi theo điều kiện khác nhau. Thông qua đồ thị biểu diễn, ta có thể tối ưu hóa thiết kế ly hợp để giảm thiểu rung động và cải thiện độ bền của bộ phận.

3.1. Nguyên lý Hoạt động Ly hợp

Ly hợp hoạt động dựa trên nguyên lý ma sát giữa bánh đà và phanh ly hợp. Khi người lái tác dụng lực lên bàn đạp, hệ thống cơ khí hoặc thủy lực giãn các lò xo chặn, cho phép phanh li hợp tiếp xúc với bánh đà, truyền mô-men xoắn từ động cơ sang hộp số.

3.2. Đặc tính Ăn khớp tại các Điều kiện

Mô phỏng Matlab cho phép quan sát sự ăn khớp ở các vòng quay ban đầu khác nhau, từ đó xác định thời gian ăn khớp, lượng trượt, và năng lượng tiêu tán. Những thông tin này cực kỳ quan trọng trong việc thiết kế và tối ưu hệ thống ly hợp.

IV. Hộp số và Phân chia Lực kéo

Hộp số là bộ phận chủ chốt trong hệ thống truyền lực, chịu trách nhiệm thay đổi tỉ số truyền giữa động cơ và bánh xe, từ đó kiểm soát tốc độ và lực kéo của ô tô. Hộp số có cấp (sàn) hoặc hộp số tự động đều có mục đích chung là tối ưu hóa hiệu suất động cơ trong các tình huống khác nhau. Mô phỏng Matlab cho phép tính toán tỉ số truyền, mô-men tại từng tay số, vận tốc xe và gia tốc ứng với mỗi cấp số. Kết quả mô phỏng được trình bày dưới dạng bảng tính toán chi tiết và đồ thị biểu diễn, giúp kỹ sư hiểu rõ hành vi của hộp số và tối ưu hóa cấu trúc bánh răng để đạt hiệu suất truyền tối đa và độ bền lâu dài.

4.1. Tỉ số Truyền và Mô men tại các Tay số

Mỗi tay số của hộp số có tỉ số truyền riêng, quyết định mô-men xoắn và vận tốc của xe. Mô phỏng tính toán chính xác giá trị mô-men tại bánh xe cho mỗi tay số, từ đó đánh giá khả năng tăng tốc và tốc độ tối đa của xe ở từng cấp số.

4.2. Đặc tính Vận tốc và Khoảng cách

Qua mô phỏng, ta nhận được đồ thị biểu diễn vận tốc xe và khoảng cách di chuyển ở mỗi tay số. Những thông tin này giúp dự đoán hiệu suất và tiêu thụ nhiên liệu của xe, đồng thời hỗ trợ thiết kế hộp số tối ưu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Quá trình phát triển của ô tô trải qua nhiều giai đoạn, có liên quan đến nhiều lĩnh vực khác nhau. Trong đó, quá trình thiết kế kết cấu phù hợp đóng vai trò quan trọng, chiếm 50% thành công của dự án phát triển ô tô mới. Quá trình thiết kế bao gồm nhiều thông tin từ phát triển ý tưởng, lên bản vẽ thiết kế sơ bộ, tính toán thiết kế kỹ thuật, và hoàn thiện bản vẽ trên cơ sở tính toán thiết kế kỹ thuật hoàn thiện. Ngày nay, quá trình thiết kế được rút ngắn rất nhiều nhờ sự trợ giúp của các công cụ trên nền tảng công nghệ thông tin.

Trong đó, quá trình tính toán, phân tích trên máy tính được trợ giúp với các công cụ hỗ trợ như Matlab-Simulink, Ansys- Fluent, Catia,…Trong các công cụ này, thông dụng và dễ dàng sử dụng nhất vẫn là Matlab. Nhiều nghiên cứu sử dụng Matlab trong thiết kế tính toán ô tô được tìm thấy như: Tính toán thiết kế và mô phỏng hệ thống phanh ABS trên ô tô; Tính toán và mô phỏng động lực học ô tô; Tính toán và thiết kế hộp số cơ khí trên ô tô; Tính toán và mô phỏng động lực học cơ cấu vi-sai; Tính toán thiết kế và mô phỏng hệ thống lái trên ô tô,…. Một trong những hệ thống quan trọng trên ô tô là hệ thống truyền lực. Việc tìm hiểu, tính toán, mô phỏng sẽ góp phần rút ngắn thời gian cho công tác lên phương án thiết kế, tính toán và dự báo sự thay đổi của hệ thống và góp phần quan trọng trong công tác học tập và nghiên cứu chuyên ngành công nghệ kỹ thuật ô tô.1 Mục tiêu Mục tiêu chính của đồ án tốt nghiệp là tìm hiểu kết cấu, nguyên lý hoạt động của hệ thống truyền lực trên ô tô tiêu biểu, xây dựng mô hình tính toán và mô phỏng một số thông số tiêu biểu của hệ thống trên nền tảng Matlab; từ đó đề xuất những ý tưởng phát triển hệ thống truyền lực tương lai.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu chính của đồ án là hệ thống truyền lực của ô tô con với các thông số đánh giá tiêu biểu và mô hình mô phỏng trên Matlab.3 Phương pháp nghiên cứu Phương pháp tiếp cận mục tiêu nghiên cứu bao gồm tìm hiểu, phân tích, tổng hợp tài liệu, công trình khoa học có liên quan trong và ngoài nước.

Nhóm cũng tham khảo ý kiến các chuyên gia như: các Thầy/Cô bộ môn và Thầy hướng dẫn; để từ đó tiến hành chọn lọc, phân tích và nghiên cứu, giải thích được các hiện tượng xảy ra trong quá trình làm việc của hệ thống truyền lực làm cơ sở phân tích và đưa ra đánh giá tính hiệu quả của hệ thống. Ngoài ra, nhóm tiến hành mô hình hóa các cụm của hệ thống truyền lực trên Matlab để mô phỏng hoạt động hệ thống truyền lực trên ô tô và giải thích các quá trình hoạt động của hệ thống.4 Dự kiến kết quả của quá trình nghiên cứu − Thuyết minh đồ án; − Mô hình hóa các cụm hệ thống truyền lực; − Kết quả và phân tích trên sự thay đổi của một số thông số vận hành tiêu biểu của hệ thống truyền lực. 4 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Khái quát hệ thống truyền lực trên ô tô Hệ thống truyền lực là hệ thống có nhiệm vụ truyền mô-men xoắn từ động cơ tới các bánh xe chủ động của xe, giúp tạo lực đẩy để xe có thể di chuyển. Hệ thống truyền lực hoàn chỉnh của một chiếc xe gồm có: ly hợp, hộp số, trục các-đăng, cầu chủ động (vi-sai và bán trục).

Công dụng của hệ thống truyền lực: Truyền và biến đổi mô-men xoắn từ động cơ đến bánh xe chủ động sao cho phù hợp giữa chế độ làm việc của động cơ và mô-men cản sinh ra trong quá trình ô tô chuyển động. • Cắt dòng công suất trong thời gian ngắn hoặc dài. • Thực hiện đổi chiều chuyển động giúp ô tô chuyển động lùi. • Tạo khả năng chuyển động êm dịu và thay đổi tốc độ cần thiết trên đường.2 Giới thiệu các kết cấu của hệ thống truyền lực trên ô tô 2.1 Ly hợp Ly hợp dùng để truyền hay không truyền công suất từ động cơ đến hệ thống truyền lực.

Cắt truyền động từ động cơ đến hệ thống truyền lực nhanh và dứt khoát trong những trường hợp cần thiết như khi chuyển số một cách êm dịu. Nó cũng cho phép động cơ hoạt động khi xe dừng và không cần chuyển hộp số về số trung gian. Cấu tạo ly hợp ô tô bao gồm 3 phần chính: • Phần chủ động bao gồm: Bánh đà, vỏ ly hợp, đĩa ép và giá đỡ lên • vỏ ly hợp; 5 • Phần bị động bao gồm: Đĩa ma sát và trục bị động; • Cơ cấu điều khiển dùng để ngắt ly hợp khi cần, bao gồm: bàn đạp, thanh nối, khớp trượt, các cần bẩy và các lò ép.1 Cấu tạo của ly hợp [14] Hình 2.2 Cơ cấu điều khiển ly hợp [14] 6 Hình 2.3 Nguyên lý hoạt động [14] Nguyên lý hoạt động: Để đóng ly hợp, người lái nhả chân khỏi bàn đạp ly hợp hay còn gọi là chân côn. Lúc này bánh đà quay, đĩa ma sát bị lò xo đẩy áp chặt lên bánh đà thông qua đĩa ép.

Nhờ có lực ma sát, mô-men được truyền từ trục khuỷu đến bánh đà qua đĩa ma sát và then hoa đến trục sơ cấp của hộp số, các chi tiết trên tạo thành một khối cùng quay theo bánh đà. Khi ngắt hay cắt ly hợp – tức là lúc không truyền mô-men thì người lái sẽ đạp bàn đạp chân côn để thông qua đòn bẩy và khớp nối, trượt chuyển động sang trái ép vào đầu cần bẩy để chúng quay trên giá đỡ và đầu kia của cần bẩy kéo đĩa ép thắng lực ép lò xo màng, dịch chuyển sang phải và tách đĩa ma sát khỏi mặt bánh đà. Lúc này đĩa ma sát ở trạng thái tự do, các bề mặt bị hở ra và mô-men động cơ không thể truyền qua đĩa tới trục sơ cấp hộp số. Để ngắt ly hợp, đối với một số loại ly hợp cần phải ép khớp trượt vào đầu cần bẩy hoặc lò 7 xo màng, nhưng đối với một số bộ ly hợp khác lại cần phải kéo khớp trượt đầu cần bẩy hoặc đầu lò xo màng ra.2 Hộp số Đây là bộ phận truyền sức mạnh từ động cơ đến hệ dẫn động, nhờ việc thay đổi tỉ số truyền, từ đó thay đổi mô-men xoắn ở các bánh xe giúp tăng giảm tốc độ.

Trên thị trường hiện nay có 2 loại hộp số ô tô là hộp số sàn và hộp số tự động. Trong các loại hộp số tự động, phổ biến nhất là hộp số tự động truyền thống, tự động vô cấp CVT và tự động ly hợp kép DCT. Cấu tạo hộp số và nguyên lý hoạt động của mỗi loại có nhiều điểm khác biệt. ❖ Hộp số sàn Hộp số sàn (MT - Manual Transmission) là loại hộp số mà người lái sử dụng cần số gạt tay để thay đổi tỉ số truyền động.

Hộp số sàn còn gọi là số tay. Cấu tạo hộp số sàn: Hộp số sàn gồm có các bộ phận: bánh răng, trục hộp số, bộ đồng tốc, ổ bi, được bao bọc bởi vỏ và nắp hộp số. - Bánh răng: Đây là bộ phận chính, có nhiệm vụ thay đổi tỉ số truyền, từ đó làm thay đổi tốc độ quay giữa các chi tiết; - Trục hộp số: Hộp số dọc thường có 3 trục gồm: Trục sơ cấp – Trục trung cấp – Trục thứ cấp. Hộp số ngang có 2 trục là trục sơ cấp – trục thứ cấp; - Bộ đồng tốc: Bộ phận này giúp tốc độ của các bánh răng được đồng đều khi vào số, tránh gặp tình trạng va đập giữa các bánh răng.

Nhờ đó, quá trình vào số của xe sẽ êm ái và dễ dàng hơn; 8 - Ổ bi: Bộ phận này giúp chuyển hóa ma sát trượt thành ma sát lăn, từ đó làm giảm tiếng ồn trong quá trình hoạt động và giúp hộp số kéo dài tuổi thọ; - Vỏ và nắp hộp số: Chứa các bộ phận bên trong hộp số, có nhiệm vụ bảo vệ các bộ phận này khỏi va đập.4 Mô hình cấu tạo hộp số sàn [14-2] ❖ Hộp số tự động: Hộp số tự động (AT - Automatic Transmission) là loại hộp số có thể thay đổi tỉ số truyền động một cách tự động, không cần người lái sử dụng cần gạt. Loại hộp số tự động phổ biến nhất hiện nay là hộp số tự động thủy lực. 9 Cấu tạo: Gồm 3 bộ phận chính: bộ bánh răng hành tinh, bộ điều khiển điện từ, biến mô thủy lực.5 Cấu tạo hộp số tự động [14-2] Cấu tạo của từng bộ phận: - Bộ bánh răng hành tinh: gồm bánh răng mặt trời nằm ở trung tâm và có kích thước lớn nhất và bánh răng hành tinh nằm ở xung quanh bánh răng mặt trời, ăn khớp và xoay quanh bánh răng mặt trời, có kích thước nhỏ hơn. Bánh răng bao (cần dẫn) là bộ phận liên kết với trục của bánh răng hành tinh, đồng trục với vành đai ngoài (bộ phận bao quanh bộ bánh răng hành tinh).6 Cấu tạo của cụm bánh răng hành tinh - Bộ điều khiển điện tử: sử dụng cảm biến để nhận thông tin đầu vào, sau đó xử lý thông tin, cung cấp dòng điện tới các van để đóng mở đường dầu đến các chi tiết của ly hợp.

Trong đó: Input shaft connects Turbine to transmission: Trục sơ cấp kết nối tuốc bin đến hộp số; Drive Hub: Mayơ dẫn động; Impeller: Cánh bơm biến mô; Torrington Bearing: ổ bi Torrington; Welded Hub: Mayơ hàn; Clucth Assembly: Cụm ly hợp; Front cover: Vành trước. - Biến mô thủy lực: nằm giữa hộp số và động cơ, có tác dụng truyền mô-men xoắn từ động cơ đến trục sơ cấp vào hộp số.7 Cấu tạo của biến mô thủy lực [14-2] Nguyên lý hoạt động: ❖ Hộp số sàn - Nguyên lý hoạt động của số tiến: Từ động cơ, mô-men lực thông qua ly hợp sẽ được truyền vào hộp số. Trục sơ cấp (đầu vào) của hộp số là nơi tiếp nhận mô-men này. Sau đó, cặp bánh răng trung gian tương ứng với các cấp số tiến tùy từng tay số mà người lái chuyển đổi điều khiển sẽ ăn khớp với nhau và truyền động lực tới trục thứ cấp (đầu ra).8 Sơ đồ nguyên lý của hộp sàn cơ khí [14-1] Trong đó: Gear Selector Fork: Càng chuyển số; Layshaft: Trục trung gian; Idler Gear: Bánh răng trung gian - Nguyên lý hoạt động của số lùi: Hình 2.