Đồ án: Ứng dụng Matlab Simulink mô phỏng và đánh giá hộp số tự động U340E

Đồ án tốt nghiệp chi tiết về mô phỏng và đánh giá hộp số tự động U340E bằng Matlab Simulink. Phân tích dòng công suất, động lực học xe.

• Tác giả: Nguyễn Hoàn Mỹ
• Người hướng dẫn: TS. Huỳnh Phước Sơn
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Cơ Khí Động Lực
• Đề tài: Ứng dụng MATLAB SIMULINK mô phỏng đánh giá hộp số tự động U340E
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Hộp số Tự động U340E

Hộp số tự động U340E là một trong những hộp số phổ biến được sử dụng trong ngành công nghiệp ô tô hiện đại. Đây là hộp số ba tay số được thiết kế với công nghệ truyền động bánh răng hành tinh, cho phép xe có khả năng thích ứng tốt với các điều kiện lái đa dạng. Hộp số U340E được trang bị hệ thống biến mô (torque converter) giúp truyền công suất từ động cơ đến bánh xe một cách mượt mà và hiệu quả. Cấu tạo của hộp số này bao gồm các bộ ly hợp (clutch), các bánh răng hành tinh (planetary gear set), và hệ thống điều khiển chuyển số tự động. Việc nghiên cứu và mô phỏng hiệu suất của hộp số U340E giúp các kỹ sư hiểu rõ hơn về cơ chế hoạt động và tối ưu hóa thiết kế của nó.

1.1. Cơ cấu và nguyên lý hoạt động

Hộp số U340E sử dụng cơ cấu hành tinh cơ bản để thay đổi tỉ số truyền. Hệ thống này bao gồm các bánh răng hành tinh được sắp xếp theo cấu trúc đặc biệt, cho phép tạo ra ba tay số khác nhau. Mỗi tay số được điều khiển bởi các bộ ly hợp một chiều (one-way clutch) và ly hợp nhiều đĩa. Bộ biến mô giúp truyền lực trơn tru từ động cơ mà không cần bộ ly hợp tách rời như hộp số sàn.

1.2. Ứng dụng thực tế trong ngành ô tô

Hộp số U340E được ứng dụng rộng rãi trong các dòng xe hành khách và xe nhẹ, đặc biệt là các mẫu xe lâu đời. Với thiết kế đơn giản nhưng hiệu quả, nó cung cấp hiệu suất truyền lực tốt với chi phí bảo dưỡng hợp lý. Hộp số này được đánh giá cao về độ tin cậy và độ bền, giúp phương tiện hoạt động ổn định trong các điều kiện lái khác nhau từ đô thị đến đường cao tốc.

II. Giới thiệu phần mềm MATLAB Simulink

MATLAB Simulink là một platform mạnh mẽ dành cho mô phỏng và thiết kế hệ thống động học, được phát triển bởi MathWorks. Phần mềm này cung cấp môi trường visual để xây dựng các mô hình phức tạp thông qua sơ đồ khối (block diagram). Đối với lĩnh vực ô tô, Simscape Driveline là một thư viện chuyên biệt cho phép các kỹ sư mô phỏng các thành phần truyền lực như động cơ, hộp số, và bánh xe. Công cụ này hỗ trợ phân tích động lực học của xe, kiểm nghiệm hiệu suất truyền lực, và tối ưu hóa chiến lược điều khiển chuyển số. Sử dụng MATLAB Simulink cho phép các nhà phát triển tiết kiệm thời gian và chi phí so với thử nghiệm vật lý, đồng thời cung cấp cái nhìn chi tiết về hoạt động nội bộ của hệ thống.

2.1. Thư viện Simscape Driveline

Thư viện Simscape Driveline cung cấp các khối mô hình cho bánh răng hành tinh, ly hợp, biến mô, và các thành phần truyền lực khác. Các khối này cho phép tạo lập các mô hình vật lý chính xác dựa trên các phương trình động học và động lực học. Thư viện này hỗ trợ phân tích chế độ quá độ (transient analysis) và chế độ ổn định (steady-state analysis) của hệ thống truyền lực.

2.2. Ứng dụng Stateflow cho điều khiển chuyển số

Stateflow là công cụ lập trình logic trạng thái (state machine) trong Simulink, rất phù hợp cho hệ thống điều khiển chuyển số tự động. Nó cho phép định nghĩa các trạng thái hoạt động (P, R, N, D) và các điều kiện chuyển số dựa trên tốc độ động cơ, tải trọng, và vị trí bàn đạp ga. Sử dụng Stateflow giúp tạo ra logic điều khiển rõ ràng, dễ hiểu và có thể thích ứng với các điều kiện lái khác nhau.

III. Mô phỏng dòng truyền công suất của Hộp số U340E

Mô phỏng dòng truyền công suất là bước quan trọng để hiểu rõ cách năng lượng từ động cơ được truyền qua hộp số đến bánh xe. Trong MATLAB Simulink, quá trình này bao gồm mô hình hóa các bánh răng hành tinh, các bộ ly hợp, và bộ biến mô. Mô hình phải tính toán chính xác tốc độ góc và mô men xoắn ở từng điểm của hệ thống. Bằng cách sử dụng các khối Simscape Driveline, có thể tái hiện các tình huống thực tế như khởi động từ trạng thái dừng, gia tốc liên tục, và chuyển số. Kết quả mô phỏng cho thấy sự biến thiên của tốc độ trục sơ cấp và thứ cấp, giúp xác minh hiệu suất truyền lực và độ mượt mà của quá trình chuyển số.

3.1. Mô hình hóa bánh răng hành tinh

Các bánh răng hành tinh trong hộp số U340E được mô phỏng bằng các khối bánh răng trong Simscape Driveline. Mô hình này tính toán tỉ số truyền dựa trên số răng của các bánh răng tây dương và hành tinh. Bằng cách kết nối các trục khác nhau với các bộ ly hợp, có thể tạo ra ba tay số khác nhau ứng với ba tỉ số truyền khác nhau, cho phép xe vận hành hiệu quả ở các dải tốc độ khác nhau.

3.2. Điều khiển hoạt động các bộ ly hợp

Bộ ly hợp trong hộp số U340E được điều khiển bởi một hệ thống logic chuyển số được xây dựng bằng Stateflow. Mô hình này xác định thời điểm kích hoạt mỗi bộ ly hợp để chuyển sang tay số khác. Bằng cách giám sát các thông số như tốc độ động cơ và vị trí bàn đạp ga, hệ thống có thể thực hiện chuyển số tự động một cách mượt mà và kịp thời, tránh sốc cơ học và tổn thất năng lượng.

IV. Kết quả mô phỏng và phân tích hiệu suất

Các kết quả mô phỏng hộp số U340E trong MATLAB Simulink cung cấp những thông tin quý báu về hiệu suất và đặc tính hoạt động của hộp số. Đồ thị tốc độ quay của trục sơ cấp và thứ cấp cho thấy sự thay đổi tốc độ khi chuyển số, từ đó xác định độ mượt mà của quá trình chuyển số. Phân tích mô men xoắn tại bánh xe giúp đánh giá khả năng gia tốc của xe ở các tay số khác nhau. Các kết quả kiểm nghiệm theo chu trình ECE R15 (một tiêu chuẩn thử nghiệm phổ biến) cho thấy tiêu thụ nhiên liệu và lượng khí thải của xe, giúp xác minh hiệu suất năng lượng của hộp số. Những dữ liệu này là cơ sở quan trọng cho cải tiến thiết kế và tối ưu hóa logic điều khiển của hộp số tự động.

4.1. Phân tích động lực học xe

Mô phỏng động lực học xe kết hợp hộp số U340E với các thành phần khác như động cơ, bánh xe, và khối lượng xe. Kết quả cho thấy gia tốc, vận tốc, và quãng đường của xe theo thời gian. Dữ liệu này giúp đánh giá hiệu suất gia tốc từ 0-100 km/h, vận tốc tối đa, và khả năng leo dốc của xe, những chỉ số quan trọng cho người tiêu dùng và nhà sản xuất.

4.2. Kiểm nghiệm tiêu thụ nhiên liệu theo chu trình ECE R15

Chu trình ECE R15 là một tiêu chuẩn thử nghiệm mô phỏng điều kiện lái đô thị. Mô phỏng này cho thấy tiêu thụ nhiên liệu thực tế khi xe chạy theo mô hình giao thông với các pha gia tốc, chạy ổn định, và giảm tốc. Kết quả này so sánh với dữ liệu thực tế giúp xác minh tính chính xác của mô hình và cung cấp cơ sở để cải tiến hiệu suất năng lượng của hộp số.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1. Tính cần thiết của đề tài. Trong các ngành công nghiệp thì công nghiệp ô tô là một trong những ngành công nghiệp có tiềm năng ở nước ta.

Do sự tiến bộ về khoa học kỹ thuật ngành công nghiệp ô tô đã cho ra đời hộp số tự động. Với những ưu điểm nổi bật hơn so với hộp số thường nên hộp số tự động ngày càng được sử dụng nhiều trên xe. Hộp số tự động từ lúc ra đời đến nay đã có rất nhiều cải tiến, nâng cao hiệu suất hoạt động và ngày càng được phát triển nhằm mang lại tỉ số truyền phù hợp, tối ưu moment xoắn của động cơ, phù hợp với công suất của động cơ cũng như là điều kiện chuyển động của ô tô, để tăng lực kéo, tăng tính tiết kiệm nhiên liệu của xe. Chính vì vậy việc nghiên cứu thiết kế và thử nghiệm các loại hộp số, từ hộp số các cấp đến hộp số vô cấp được tiến hành liên tục.

Nhằm góp phần nghiên cứu, tìm hiểu về dòng truyền công suất của hộp số tự động, nhóm em tiến hành nghiên cứu thực hiện đề tài mô phỏng hộp số tự động U340E. Hiện nay để tính toán kiểm nghiệm được nhanh chóng và hiệu quả chúng ta cần sự trợ giúp của của máy tính thông qua các phần mềm chuyên nghiệp. Nhờ sự phát triển của công nghệ thông tin đã có nhiều phần mềm ra đời giúp hỗ trợ trong lĩnh vực này, một trong số đó là phần mềm MATLAB SIMULINK. Vì những lý do trên, nhóm em quyết định chọn đề tài “Ứng dụng MATLAB SIMULINK mô phỏng đánh giá hộp số tự động U340E”.

Từ đó có được các kết quả nhằm tạo ra cơ sở cho công việc nghiên cứu khoa học chuyên ngành ô tô sau này, cũng như có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo cho quá trình đào tạo sau đại học ngành cơ khí động lực. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu. Sử dụng phần mềm Matlab Simulink để mô phỏng hộp số tự động U340E nhằm mục đích kiểm nghiệm, đánh giá hoạt động của hộp số. Từ kết quả của đề tài, có thể rút ra được các thông tin từ đó tạo cơ sở cho việc nghiên cứu tính toán thiết kế cũng như cải tiến hộp số một cách tối ưu nhất.

 Nội dung nghiên cứu.  Nghiên cứu, tìm hiểu phần mềm Matlab Simulink (Simscape Driveline, Stateflow). 1  Ứng dụng phần mềm Matlab Simulink để mô phỏng, đánh giá hoạt động của hộp số tự động U340E.  Phân tích, đánh giá kết quả của mô phỏng.

Phương pháp và phạm vi nghiên cứu.  Phương pháp giải quyết vấn đề.  Tham khảo các nguồn tài liệu trên Internet để tìm hiểu về phần mềm MATLAB SIMULINK (Simscape Driveline, Stateflow).  Tìm kiếm thu thập các thông số có liên quan đến hộp số U340E cũng như thông số về động cơ, bộ biến mô của xe sử dụng hộp số trên.

 Ứng dụng Matlab Simulink (Simscape, Stateflow) mô phỏng hộp số U340E.  Phạm vi nghiên cứu.  Mô phỏng hoạt động của hộp số U340E chạy trên các điều kiện đóng mở bướm ga khác nhau để quan sát thời điểm chuyển số, tốc độ của xe như thế nào.  Nghiên cứu quá trình, thời điểm chuyển số của hộp số U340E dựa vào tốc độ của xe trên chu trình thử nghiệm bằng các tín hiệu như độ mở bướm ga, tốc độ xe, phanh và tải trọng.

 Đưa ra nhận xét và đề xuất hướng phát triển của đề tài. GIỚI THIỆU HỘP SỐ TỰ ĐỘNG U340E VÀ PHẦN MỀM MATLAB SIMULINK 2. Giới thiệu hộp số tự động U340E. Hộp số U340E là loại hộp số tự động sử dụng bộ truyền động bánh răng hành tinh, điều khiển bằng điện tử, có 4 cấp số và được lắp trên xe TOYOTA VIOS 1.1 Hộp số U340E Các thành phần chính của hộp số U340E:  Biến mô thủy lực: được bố trí ngay tiếp sau động cơ, nhận mô-men từ động cơ và truyền tới các trục của hộp số cơ khí.

 Bộ truyền động bánh răng hành tinh.  Hệ thống điều khiển chuyển số: gồm các cảm biến tốc độ xe, cảm biến vị trí bướm ga, các van điện từ.  Mạch dầu của hộp số: điều khiển các phanh, khớp một chiều, ly hợp ma sát, cung cấp dầu cho biến mô. Khi xe hoạt động, động cơ truyền mô-men qua biến mô tại đầu ra của biến mô (bánh tua-bin) truyền vào hộp số cơ khí, hộp số cơ khí thay đổi được tỷ số truyền việc thay đổi tỷ số truyền được điều khiển tự động nhờ các bộ ly hợp, phanh, khớp một chiều.

Đầu ra của hộp số cơ khí được ăn khớp với bộ truyền lực chính qua vi sai truyền tới các bánh xe chủ động. Bộ truyền động bánh răng hành tinh. Được cấu tạo từ các cơ cấu hành tinh cơ bản. Cần dẫn của bộ truyền thứ nhất nối với 3 bánh răng bao của bộ truyền thứ hai, cần dẫn của bộ truyền thứ hai lại nối với bánh răng bao của bộ truyền thứ nhất.

Cơ cấu hành tinh cơ bản là cơ cấu 2 bậc tự do, trong đó có bánh răng hành tinh ăn khớp với bánh răng mặt trời và bánh răng bao, trục của bánh răng hành tinh có thể quay. Do đó cơ cấu một trục công suất vào ta có hai trục công suất ra và có thể đảo chiều quay của trục ra.2 Cơ cấu hành tinh cơ bản của hộp số 1-bánh răng bao; 2-bánh răng hành tinh; 3-trục bánh răng hành tinh; 4: bánh răng mặt trời. Trong hộp số tự động, nhờ việc đóng mở các bộ phanh, bộ ly hợp và các khớp một chiều tạo ra các tổ hợp điều khiển hoạt động của hộp số. Việc đóng, mở các cơ cấu điều khiển làm thay đổi đường truyền công suất, thay đổi các khâu chủ động, bị động nhờ đó thay đổi được tỷ số truyền qua hộp số và chiều quay của trục ra hộp số.

 Sơ đồ bộ truyền động bánh răng hành tinh hộp số U340E.3 Bộ truyền động bánh răng hành tinh hộp số U340E Các bộ ly hợp thủy lực gồm có C1, C2, C3. Ly hợp khóa biến mô. Các cơ cấu phanh ký hiệu B1, B2, B3. Các khớp một chiều kí hiệu F1, F2.

Các cần dẫn mà hộp số tạo ra ở dãy số tiến là 4 (số 3 là số truyền thẳng, số 4 là số truyền tăng) và ở dãy số lùi 1 tỷ số truyền. Trục đầu ra của hộp số là cần dẫn trước, trục 4 đầu vào (nối với bánh tua-bin) tùy theo từng vị trí gài số (tay số truyền) là có thể là trục bánh răng hành tinh trước, sau hoặc C2.1 Chức năng các bộ ly hợp, phanh, khớp một chiều Các bộ phận Chức năng C1 Ly hợp số tiến Nối trục trung gian bộ truyền HT với BR mặt trời bộ truyền HT thứ nhất C2 Ly hợp số truyền thẳng Nối trục trung gian với cần dẫn bộ truyền HT thứ hai C3 Ly hợp số lùi Nối trục trung gian với BR mặt trời bộ truyền HT thứ hai B1 Phanh OD và số 2 Khóa BR mặt trời bộ truyền HT thứ hai B2 Phanh số 2 Giữ BR mặt trời bộ truyền HT thứ hai không quay ngược chiều kim đồng hồ B3 Phanh số 1 và số lùi Khóa BR bao bộ truyền HT thứ nhất và cần dẫn bộ truyền HT thứ hai F1 Khớp 1 chiều số 1 Giữ BR mặt trời bộ truyền HT thứ hai không quay ngược chiều kim đồng hồ F2 Khớp 1 chiều số 2 Giữ BR bao bộ truyền HT thứ nhất và cần dẫn bộ truyền HT thứ hai không quay ngược chiều kim đồng hồ Các bánh răng hành tinh Các BR HT làm thay đổi tỉ số truyền theo sự đóng mở của ly hợp và phanh, nhờ đó làm tăng hoặc giảm tốc độ đầu ra  Đặc điểm.2 Đặc điểm thông số cơ cấu hành tinh hộp số U340E C1 Ly hợp số tiến 4 C2 Ly hợp số truyền thẳng 3 C3 Ly hợp số lùi 2 5 B1 Phanh OD và số 2 Số đĩa 2 B2 Phanh số 2 3 B3 Phanh số 1 và số lùi 4 F1 Khớp 1 chiều số một 16 F2 Khớp 1 chiều số 2 15 Bộ bánh răng hành tinh phía Số răng của bánh răng mặt trời 46 trước Số răng của bánh răng hành tinh 21 Số răng của bánh răng bao 85 Bộ bánh răng hành tinh phía Số răng của bánh răng mặt trời 32 sau Số răng của bánh răng hành tinh 21 Số răng của bánh răng bao 75 Cần dẫn Số răng của bánh răng chủ động 52 Số răng của bánh răng bị động 53  Tỉ số truyền.3 Tỉ số truyền Hộp số U340E Tỉ số truyền 1st 2.343 Tỉ số truyền lực chính 4. Bộ biến mô. Bộ biến mô này có thiết kế tối ưu, hiệu quả truyền được tăng cường đáng kể để đảm bảo khởi động tốt, tăng tốc và tiết kiệm nhiên liệu.

Hơn nữa, một cơ chế khóa hoạt động 6 bằng thủy lực giúp giảm tổn thất truyền tải điện do trượt ở tốc độ trung bình và cao được sử dụng. Tỉ số truyền bộ biến mô: 1.4 Cấu tạo bộ biến mô 2.4 Bảng chuyển số Vị trí cần Bánh răng Ly hợp Phanh Khớp một số chiều C1 C2 C3 B1 B2 B3 F1 F2 P Đỗ R Lùi o o N Trung gian D Số 1 o o Số 2 o o o Số 3 o o o Số 4 o o o 3 Số 1 o Số 2 o o o Số 3 o o o 2 Số 1 o o Số 2 o o o o L Số 1 o o 7 2. Dòng truyền công suất.  Số 1 (Dãy D, 3 hoặc 2): C1, F2 hoạt động.5 Dãy D số 1  Số 2 (Dãy D hoặc 3): C1, B2, F1 hoạt động.6 Dãy D số 2 8  Số 3 (Dãy D hoặc 3): C1, C2, B2 hoạt động.7 Dãy D số 3  Số 4 - Số truyền tăng OD (Dãy D): C2, B1, B2 hoạt động.8 Dãy D số 4 9  Số lùi (Vị trí R): C3, B3 hoạt động.

Giới thiệu Matlab Simulink, Simscape Driveline, Stateflow.10 Phần mềm MATLAB & SIMULINK MATLAB là một ngôn ngữ lập trình tích hợp khả năng tính toán, hình ảnh hóa, lập trình trong một môi trường dễ sử dụng, ở đó vấn đề và giải pháp được trình bày trong cùng một lời chú thích toán học. Thường MATLAB được dùng cho: 10  Toán và điện toán.  Phát triển thuật toán.  Dựng mô hình, giả lập, tạo nguyên mẫu.

 Phân tích, khám phám hình ảnh hóa dữ liệu.  Đồ họa khoa học và kỹ thuật.