Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong ngành công nghiệp ô tô hiện đại, sự phát triển của các cơ cấu truyền động tiên tiến cùng các hệ thống an toàn chủ động đóng vai trò then chốt trong việc tối ưu hóa hiệu suất vận hành, giảm tiêu hao nhiên liệu và bảo vệ người sử dụng phương tiện. Dòng xe Subaru Forester 2019 thuộc thế hệ thứ năm của hãng xe Subaru (Nhật Bản) được trang bị tổ hợp công nghệ đặc trưng bao gồm động cơ Boxer đặt ngang đối xứng, hộp số tự động vô cấp Lineartronic CVT, hệ thống khung gầm toàn cầu Subaru Global Platform (SGP), hệ dẫn động 4 bánh toàn thời gian đối xứng (S-AWD) cùng các hệ thống kiểm soát ổn định điện tử VDC và hỗ trợ lái EyeSight.

Nhằm xây dựng tài liệu học tập, nghiên cứu chuyên sâu về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các hệ thống cơ điện tử và thủy lực trên các dòng ô tô đời mới, đề tài đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu hệ thống truyền lực và an toàn ổn định trên dòng xe Subaru Forester 2019" đã được thực hiện với các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

  1. Phân tích cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống truyền lực, trọng tâm là hộp số tự động vô cấp CVT (dây đai xích thép) và hệ dẫn động 4 bánh toàn thời gian S-AWD trên xe Subaru Forester 2019.
  2. Khảo cứu kết cấu và nguyên lý làm việc của hệ thống treo (trước MacPherson, sau xương đòn kép) và hệ thống phanh đĩa thủy lực mạch kép.
  3. Phân tích nguyên lý làm việc của hệ thống kiểm soát thân xe chủ động VDC (Vehicle Dynamics Control) và chế độ hỗ trợ kiểm soát địa hình X-Mode.
  4. Xây dựng mô hình mô phỏng chuyển động và đường truyền thủy lực điều khiển puly, ly hợp của hộp số CVT bằng phần mềm đồ họa Macromedia Flash 8.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là các cụm chi tiết cơ khí, thủy lực và điều khiển điện tử trên dòng xe Subaru Forester 2019 phiên bản động cơ Boxer 2.0L nạp khí tự nhiên, kết hợp hộp số vô cấp CVT có chế độ sang số tay 7 cấp số ảo.


Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và tài liệu sử dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết cơ học ô tô, nguyên lý truyền động thủy lực và điều khiển tự động trong kỹ thuật ô tô. Các nguồn tài liệu chính bao gồm:

  • Giáo trình chuyên ngành "Lý thuyết ô tô" về động lực học chuyển động và phân phối tải trọng trên các trục dẫn động.
  • Sổ tay hướng dẫn kỹ thuật và tài liệu sửa chữa chính hãng (Subaru Forester Workshop Manual / Service Manual) của tập đoàn Subaru.
  • Các tài liệu kỹ thuật về hệ thống khung gầm SGP, hệ thống điều khiển lực kéo chủ động và công nghệ hỗ trợ lái xe EyeSight của Subaru.

Phương pháp nghiên cứu

Đồ án kết hợp các phương pháp kỹ thuật tiêu chuẩn trong ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô:

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp lý thuyết: Hệ thống hóa các sơ đồ nguyên lý, cấu tạo cơ khí, bản vẽ chi tiết các cụm tổng thành (vỏ hộp số, cụm van điều khiển, bộ biến mô, puly sơ cấp/thứ cấp, bộ vi sai, cùm phanh, các đòn treo).
  • Phương pháp khảo sát cấu trúc hệ thống: Phân tích đường truyền công suất, dòng dầu thủy lực điều khiển áp suất ép puly và đường dầu phanh.
  • Phương pháp mô phỏng kỹ thuật: Sử dụng phần mềm Macromedia Flash 8 để lập trình diễn hoạt (animation) các trạng thái làm việc của hộp số CVT theo tỷ số truyền và chiều quay trục ra.

Thiết kế và triển khai mô phỏng điều khiển thủy lực

Nhóm tác giả đã sử dụng phần mềm đồ họa vector và hoạt ảnh Macromedia Flash 8 để trực quan hóa cấu trúc và hoạt động của hệ thống điều khiển thủy lực hộp số CVT trang bị trên xe Subaru Forester 2019.

Công cụ và môi trường thiết kế

  • Thanh công cụ (Toolbox): Sử dụng các công cụ vẽ vector (Line Tool, Oval Tool, Rectangle Tool, Pen Tool, Selection Tool) để vẽ chính xác mặt cắt các bộ phận cơ khí và mạch dầu.
  • Vùng điều khiển chính (Timeline & Layers): Phân chia các lớp đồ họa riêng biệt cho từng thành phần (khung vỏ, đường dầu áp suất cao, đường dầu hồi, cuộn hút solenoid, piston thủy lực, puly ép, cụm bánh răng hành tinh).

Các cụm chi tiết được dựng hình

  1. Cụm tạo áp và biến mô: Thể hiện bộ biến mô thủy lực tích hợp ly hợp khóa biến mô và cụm bơm dầu áp suất cao.
  2. Cụm van điện từ (Solenoid) và van trượt: Mô phỏng vị trí van điều khiển sơ cấp, van điều khiển thứ cấp và các solenoid nhận tín hiệu xung PWM từ mô-đun điều khiển hộp số (TCM).
  3. Cụm puly biến thiên và xích truyền lực: Mô phỏng sự dịch chuyển tịnh tiến của mặt puly di động sơ cấp và thứ cấp dưới tác động của áp suất dầu thủy lực và lò xo hồi vị.
  4. Cơ cấu chuyển hướng tiến/lùi: Mô phỏng cơ cấu khóa cần dẫn của bộ truyền hành tinh qua cụm đĩa ma sát ly hợp số tiến hoặc khóa vành răng bao qua cụm đĩa phanh số lùi.

Kịch bản mô phỏng hoạt động

  • Trạng thái tỷ số truyền cao (tay số thấp - Low Ratio): Mô phỏng tín hiệu TCM điều khiển giảm áp suất cấp vào puly chủ động, lò xo ở puly bị động ép hai nửa puly lại gần nhau làm tăng đường kính vòng xích tại trục thứ cấp và giảm đường kính tại trục sơ cấp.
  • Trạng thái tỷ số truyền thấp (tay số cao - Overdrive Ratio): Mô phỏng tín hiệu TCM điều khiển tăng áp suất dầu tác động lên buồng ép puly chủ động, bóp chặt mặt côn puly làm dây xích dâng lên ngoài biên (tăng đường kính trục sơ cấp), đồng thời đẩy tách puly bị động (giảm đường kính trục thứ cấp).
  • Trạng thái chuyển số tiến / số lùi: Mô phỏng đường cấp dầu điều khiển piston ép đóng các lá ma sát của ly hợp số tiến hoặc piston của cụm phanh số lùi.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương này nêu rõ lý do chọn đề tài nghiên cứu về hệ thống truyền lực và hệ thống an toàn trên mẫu crossover Subaru Forester 2019. Tác giả chỉ ra xu hướng ứng dụng hộp số biến thiên vô cấp CVT kết hợp hệ dẫn động 4 bánh toàn thời gian để nâng cao độ êm dịu, giảm hao hụt công suất và tăng cường an toàn chuyển động. Nội dung chương đồng thời xác lập mục tiêu, phương pháp nghiên cứu và nhiệm vụ hoàn thiện mô hình mô phỏng chuyển động thủy lực.

Chương 2: Cơ sở lí thuyết

Nội dung chương tập trung giới thiệu lịch sử phát triển của tập đoàn Fuji Heavy Industries (FHI - tiền thân từ phòng thí nghiệm máy bay quân sự năm 1915, sau đó sản xuất mẫu xe hơi đầu tiên Subaru 1500 năm 1954) và các công nghệ cốt lõi của thương hiệu Subaru.

Hạng mục thông số Chi tiết trên Subaru Forester 2019
Loại động cơ Động cơ xăng Boxer nằm ngang đối xứng, 4 xi-lanh, dung tích 2.0L
Công suất cực đại 156 mã lực (hp) tại vòng tua 6.000 vòng/phút
Mô-men xoắn cực đại 196 Nm tại vòng tua 4.000 vòng/phút
Khoảng sáng gầm xe 220 mm
Chiều dài cơ sở Tăng thêm 30,5 mm (1.2 inch) so với thế hệ tiền nhiệm
Hộp số trang bị Hộp số tự động vô cấp Lineartronic CVT (tích hợp 7 cấp số ảo)
Hệ thống dẫn động Dẫn động 4 bánh toàn thời gian đối xứng đối ứng (Symmetrical AWD)
Khung gầm nền tảng Subaru Global Platform (SGP)
Tiện ích khoang lái Màn hình giải trí 8 inch, màn hình hiển thị vận hành phụ, vô lăng 17 nút bấm
Gói an toàn EyeSight Phanh tự động phòng chống va chạm, ga hành trình thích ứng, cảnh báo điểm mù, hỗ trợ giữ làn

Chương này cũng phân loại các kiểu hộp số thông dụng (MT, AT, CVT, DCT) và phân tích nguyên lý cơ bản của hệ thống kiểm soát ổn định thân xe VDC.

Chương 3: Hệ thống truyền lực

Chương 3 là phần dung lượng kỹ thuật lớn nhất của đồ án, mô tả chi tiết 4 cụm kết cấu:

1. Hộp số tự động vô cấp Lineartronic CVT

Khác với CVT truyền thống dùng đai cao su hoặc đai đẩy kim loại Van Doorne, hộp số CVT của Subaru sử dụng dây xích kéo thép chịu tải cao. Kết cấu chi tiết bao gồm:

  • Vỏ hộp số và nắp đậy: Tích hợp các nút xả/đổ dầu CVTF, ống thông hơi, gioăng làm kín chữ O và chữ D, các nút thử áp suất dầu puly thứ cấp.
  • Cụm van điều khiển thủy lực: Gồm thân van phân phối, các van solenoid điều khiển áp suất đường dầu chính, lưới lọc dầu, nam châm gom mạt kim loại và các-te dầu.
  • Cơ cấu đảo chiều chuyển động: Sử dụng bộ truyền bánh răng hành tinh với cụm ly hợp nhiều đĩa số tiến (khóa cần dẫn với bánh răng mặt trời) và cụm phanh dải/đĩa ép số lùi (cố định vành răng bao).
  • Hệ puly biến thiên: Puly sơ cấp (nhận mô-men từ trục biến mô) và puly thứ cấp (truyền ra bánh răng giảm tốc) được điều khiển ép/nhả bởi áp suất thủy lực nhằm thay đổi liên tục tỷ số truyền $i = \frac{n_{\text{vào}}}{n_{\text{ra}}}$.

2. Hệ thống dẫn động 4 bánh toàn thời gian AWD

Phân tích sơ đồ bố trí đối xứng dọc trục (Symmetrical AWD). Động cơ Boxer phẳng đặt dọc kết hợp cùng hộp số và trục các-đăng chia lực nằm trên đường tâm xe, chia đều trọng lượng hai bên trái - phải và hạ thấp trọng tâm xe:

  • Cấu tạo bán trục trước và sau: Gồm cụm trục láp, khớp chạc ba, vành lăn trong/ngoài, bạc cao su thanh giằng và cao su chụp bụi.
  • Cụm vi sai cầu sau: Sử dụng bộ bánh răng côn xoắn Hypoid, bánh răng quả dứa, cảm biến nhiệt độ dầu vi sai và cơ cấu đệm căn chỉnh khe hở.
  • Các biến thể công nghệ AWD của Subaru:
    • Active Torque Split AWD: Sử dụng bộ ly hợp truyền lực nhiều đĩa điện tử MP-T (Multi Plate Transfer) trên hộp số CVT/E-4AT, phân phối mô-men xoắn mặc định 60:40 (trước:sau) và tự động thay đổi theo thời gian thực.
    • Variable Torque Distribution (VTD) AWD: Trang bị trên hộp số tự động 5 cấp E-5AT, phân bổ mặc định 45:55 nhằm tạo cảm giác lái thể thao, hạn chế hiện tượng thiếu lái (understeer).
    • Viscous Center Differential AWD: Sử dụng trên các dòng xe số sàn với khớp khóa vi sai nhớt LSD trung tâm, phân chia tỷ lệ cố định 50:50.

3. Hệ thống treo

  • Treo trước kiểu độc lập MacPherson: Gồm lò xo trụ đàn hồi, ống giảm chấn thủy lực và càng chữ L (bằng hợp kim nhôm trên các phiên bản cao cấp) liên kết với khung phụ gắn trực tiếp vào bệ đỡ khung gầm SGP.
  • Treo sau kiểu độc lập xương đòn kép (Double Wishbone): Cho phép kiểm soát chính xác góc đặt bánh xe và độ nghiêng bánh sau khi vào cua gắt, đồng thời bố trí kết cấu thấp phẳng giúp giải phóng thể tích cho khoang hành lý.

4. Hệ thống phanh

  • Cơ cấu phanh bánh xe: Phanh trước đĩa thông gió với cùm phanh 2 piston kiểu lỗ phao; phanh sau đĩa thông gió 1 piston kiểu lỗ phao tích hợp bộ chấp hành phanh tay điện tử (EPB).
  • Cụm tạo áp và dẫn động: Bầu trợ lực chân không đơn, xylanh phanh chính kiểu piston song song, kết hợp mạng đường ống dẫn dầu mạch kép chéo và cụm điều biến áp suất thủy lực VDC.

Chương 4: Hệ thống an toàn

Trình bày cấu tạo và nguyên lý của hai hệ thống can thiệp ổn định chủ động:

  • Chế độ kiểm soát địa hình X-Mode: Tác động đồng thời lên độ mở bướm ga động cơ, tỷ số truyền hộp số CVT, tỷ lệ khóa vi sai S-AWD và hệ thống phanh độc lập từng bánh để hỗ trợ vượt đường lầy lội, cát lún và tự động kích hoạt tính năng hỗ trợ xuống dốc (Hill Descent Control).
  • Hệ thống kiểm soát thân xe VDC (Vehicle Dynamics Control): Mạng lưới cảm biến gồm cảm biến góc đánh lái vô lăng, cảm biến tốc độ 4 bánh xe, cảm biến gia tốc ngang và cảm biến góc quay thân xe (yaw rate sensor). Cụm điều khiển thủy lực VDC sẽ can thiệp phanh chủ động từng bánh riêng lẻ và điều chỉnh mô-men xoắn động cơ khi phát hiện nguy cơ văng đầu (thiếu lái) hoặc văng đuôi (thừa lái).

Chương 5: Mô phỏng điều khiển thủy lực hộp số

Trình bày các bước thiết kế đồ họa, gán chuyển động timeline và xây dựng kịch bản mô phỏng tương tác cho cụm điều khiển thủy lực hộp số CVT trên phần mềm Macromedia Flash 8.

Chương 6: Kết luận và đề nghị

Đánh giá mức độ hoàn thành mục tiêu đề tài, tổng hợp các kết quả kỹ thuật đạt được về kết cấu hệ thống truyền lực - an toàn và đưa ra các đề xuất phát triển tiếp theo.


Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật chính

  • Hệ thống hóa toàn diện thông số kỹ thuật xe Subaru Forester 2019: Làm rõ cấu hình động cơ Boxer 2.0L (156 mã lực, 196 Nm), khoảng sáng gầm 220 mm, trục cơ sở nới rộng 30,5 mm và khung gầm SGP gia tăng độ cứng vững xoắn.
  • Làm sáng tỏ nguyên lý vận hành của hộp số Lineartronic CVT: Phân tích chi tiết cơ chế truyền lực bằng đai xích thép thay vì đai đẩy kim loại truyền thống, quy trình điều áp puly chủ động/bị động bằng van solenoid để đạt dải tỷ số truyền biến thiên liên tục, cùng cơ cấu khóa cần dẫn bánh răng hành tinh cho số tiến và khóa vành răng bao cho số lùi.
  • Phân loại và phân tích cơ chế phân phối lực kéo của các hệ dẫn động AWD của Subaru:
Hệ dẫn động AWD Hộp số kết hợp Tỷ lệ phân bổ mô-men xoắn (Trước : Sau) Cơ cấu điều khiển trung tâm
Active Torque Split AWD Lineartronic CVT / E-4AT 60 : 40 (biến thiên linh hoạt) Cụm ly hợp nhiều đĩa thủy lực điện tử MP-T
Variable Torque Distribution (VTD) Tự động 5 cấp (E-5AT) 45 : 55 (tự động cân bằng đến 50:50) Bộ vi sai bánh răng hành tinh & ly hợp điện tử
Viscous Center Differential Hộp số sàn (MT) 50 : 50 (cố định điều kiện thường) Bộ vi sai trung tâm tích hợp khớp khóa nhớt LSD
  • Xây dựng hoàn chỉnh file mô phỏng đồ họa: Hoàn thành sản phẩm mô phỏng 2D trực quan hoạt động điều khiển thủy lực hộp số CVT bằng Macromedia Flash 8, hiển thị rõ dòng dầu thủy lực và sự dịch chuyển cơ khí của các mặt puly côn.

Đề xuất và giải pháp của tác giả

  • Ứng dụng mô hình mô phỏng đồ họa Flash làm công cụ hỗ trợ trực quan trong công tác giảng dạy các học phần Kết cấu ô tô, Hệ thống truyền lực và Thực tập hệ thống gầm tại các cơ sở đào tạo chuyên ngành ô tô.
  • Khuyến nghị quy trình bảo dưỡng định kỳ đúng tiêu chuẩn cho dòng xe trang bị S-AWD và CVT, đặc biệt là kiểm tra chất lượng dầu hộp số CVTF và dầu vi sai định kỳ để duy trì độ nhạy của cụm ly hợp MP-T.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  • Nghiên cứu tập trung vào phân tích kết cấu lý thuyết và tài liệu sửa chữa của nhà sản xuất; chưa thực hiện đo kiểm thực nghiệm các thông số áp suất dầu thực tế, nhiệt độ dầu hộp số hoặc gia tốc thân xe trên bệ thử động lực học.
  • Sản phẩm mô phỏng được thực hiện trên nền tảng 2D (Macromedia Flash 8), chưa thể hiện được mô hình không gian 3D tương tác hoặc mô phỏng dòng chảy động lực học chất lưu (CFD).

Hướng mở rộng nghiên cứu

  • Mở rộng mô phỏng hệ thống truyền lực và cân bằng động lực học xe trên các phần mềm chuyên ngành như MATLAB/Simulink, CarSim hoặc dựng mô hình không gian 3D trên SolidWorks/Inventor.
  • Nghiên cứu sâu hơn về thuật toán xử lý tín hiệu hình ảnh của hệ thống hỗ trợ người lái EyeSight và mô phỏng giao tiếp mạng CAN-bus giữa hộp số TCM, động cơ ECM và cụm điều khiển VDC.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích cho:

  • Sinh viên và giảng viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ khí Động lực: Sử dụng làm tài liệu nghiên cứu chuyên đề về hộp số vô cấp CVT dạng xích kéo, hệ dẫn động 4 bánh toàn thời gian phân phối mô-men xoắn chủ động và hệ thống cân bằng điện tử.
  • Kỹ thuật viên sửa chữa, chẩn đoán ô tô: Tham khảo cấu tạo bóc tách chi tiết các cụm tổng thành (vỏ hộp số, cụm van thủy lực, van solenoid, xy lanh phanh chính, cảm biến VDC) và sơ đồ mạch dầu trên dòng xe Subaru Forester 2019 phục vụ quy trình tháo lắp, đại tu.

Câu hỏi thường gặp

1. Hộp số Lineartronic CVT của Subaru Forester 2019 có điểm gì khác biệt so với hộp số CVT thông thường?

Hộp số Lineartronic CVT của Subaru sử dụng cơ cấu dây xích kéo thép thay vì dây đai kim loại đẩy hoặc dây đai cao su. Kết cấu này cho phép chịu được mô-men xoắn lớn hơn từ động cơ Boxer, mở rộng dải tỷ số truyền và cho phản hồi chuyển số nhạy hơn. Ngoài ra, TCM được lập trình sẵn 7 cấp số ảo để tạo cảm giác sang số thể thao khi người lái sử dụng lẫy chuyển số.

2. Tỷ lệ phân bổ mô-men xoắn mặc định trên hệ dẫn động Active Torque Split AWD của Subaru Forester 2019 là bao nhiêu?

Hệ thống Active Torque Split AWD kết hợp với hộp số CVT phân bổ mô-men xoắn mặc định theo tỷ lệ 60% cho cầu trước và 40% cho cầu sau. Khi các cảm biến phát hiện sự trượt bánh hoặc thay đổi góc lái/gia tốc, bộ ly hợp truyền lực nhiều đĩa điều khiển điện tử MP-T (Multi Plate Transfer) sẽ tự động điều chỉnh phân bổ lại tỷ lệ lực kéo giữa hai cầu theo thời gian thực.

3. Cơ chế tạo số tiến và số lùi của hộp số CVT trên Subaru Forester 2019 hoạt động như thế nào?

Để tạo số tiến, cụm ly hợp số tiến được cấp dầu đóng lại, khóa cần dẫn của bộ truyền hành tinh với bánh răng mặt trời để truyền chuyển động quay cùng chiều sang puly chủ động. Để tạo số lùi, cụm phanh số lùi được kích hoạt để cố định vành răng bao, làm các bánh răng hành tinh quay đảo chiều so với bánh răng mặt trời, tạo ra chuyển động quay ngược chiều truyền tới puly chủ động.

4. Hệ thống treo trên Subaru Forester 2019 có kết cấu như thế nào ở hai cầu?

Hệ thống treo trước là dạng độc lập MacPherson gồm giảm chấn thủy lực, lò xo trụ và càng chữ L (bằng nhôm trên bản thể thao) liên kết bệ đỡ khung gầm SGP. Hệ thống treo sau là dạng độc lập xương đòn kép (Double Wishbone), có thiết kế phẳng và nhỏ gọn giúp xe bám đường khi vào cua và tối ưu không gian chứa đồ phía sau.

5. Phần mềm nào được sử dụng để xây dựng mô hình mô phỏng trong đồ án và mô phỏng nội dung gì?

Nhóm tác giả sử dụng phần mềm Macromedia Flash 8 để vẽ và lập trình hoạt ảnh mô phỏng mạch điều khiển thủy lực hộp số CVT, bao gồm: hoạt động cấp áp suất của bơm dầu/bộ biến mô, đóng mở các van solenoid, sự thay đổi đường kính làm việc của 2 cụm puly sơ cấp/thứ cấp và hoạt động đóng ngắt của ly hợp số tiến, phanh số lùi.


Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của nhóm sinh viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh đã khảo cứu chi tiết và có hệ thống về cấu tạo, nguyên lý làm việc của hệ thống truyền lực (hộp số xích Lineartronic CVT, hệ dẫn động S-AWD) cùng các hệ thống an toàn ổn định (VDC, X-Mode, hệ thống treo và phanh đĩa mạch kép) trên mẫu xe Subaru Forester 2019. Thông qua việc phân tích sâu các cụm kết cấu cơ khí - thủy lực và xây dựng thành công sản phẩm mô phỏng chuyển động điều khiển puly trên phần mềm Macromedia Flash 8, công trình đã hoàn thành toàn diện các nhiệm vụ nghiên cứu đặt ra, cung cấp nguồn tư liệu học thuật và kỹ thuật thực tiễn cho sinh viên và kỹ sư chuyên ngành ô tô.