Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành công nghiệp ô tô và các lĩnh vực kỹ thuật liên quan đang ghi nhận tốc độ tăng trưởng nhanh chóng tại Việt Nam dưới tác động của tiến trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa. Khi ô tô trở thành phương tiện giao thông phổ biến, các tiêu chí lựa chọn phương tiện của người tiêu dùng ngày càng khắt khe hơn, đặc biệt ở các khía cạnh: tối ưu hóa mức tiêu hao nhiên liệu, nâng cao công suất động cơ, đảm bảo an toàn và gia tăng độ êm dịu khi vận hành. Trong cấu trúc xe hiện đại, hộp số tự động giữ vai trò quan trọng trong việc thiết lập các tỷ số truyền phù hợp với từng điều kiện chuyển động, khắc phục những hạn chế của hộp số sàn truyền thống. Xuất phát từ yêu cầu học tập, giảng dạy và nghiên cứu chuyên sâu về công nghệ truyền động ô tô, nhóm tác giả Trần Thanh Dân, Lê Nhất Khoa và Đoàn Chí Bằng (Khoa Cơ khí Động lực, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh) đã thực hiện đồ án tốt nghiệp với đề tài "Nghiên cứu hộp số tự động 6T40" dưới sự hướng dẫn của Th.S Dương Nguyễn Hắc Lân.

Mục tiêu nghiên cứu được xác định cụ thể trong văn bản bao gồm 3 mục tiêu:

  1. Tìm hiểu về hộp số tự động 6T40.
  2. Mô hình hóa hệ thống truyền lực trên xe Chevrolet Malibu 2013 sử dụng hộp số 6T40 bằng phần mềm Matlab/Simulink.
  3. Tiến hành mô phỏng hoạt động của hệ thống từ mô hình đã xây dựng, sau đó rút ra kết luận và định hướng lối phát triển của đề tài phục vụ quá trình học tập và nghiên cứu.

Để hoàn thành các mục tiêu trên, đề tài thực hiện 5 nội dung nghiên cứu trọng tâm:

  • Nghiên cứu đặc tính động cơ trên xe Chevrolet Malibu 2013.
  • Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và đặc tính của hộp số tự động 6T40.
  • Nghiên cứu hệ thống điều khiển thủy lực trên hộp số 6T40.
  • Mô phỏng hệ thống bằng phần mềm Matlab/Simulink.
  • Đánh giá kết quả mô phỏng và đề xuất hướng phát triển đề tài.

Đối tượng nghiên cứu là cụm hộp số tự động 6 cấp 6T40 do tập đoàn General Motors (GM) sản xuất, trang bị trên dòng xe du lịch Chevrolet Malibu đời 2013. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở việc khảo cứu lý thuyết kết cấu, phân tích sơ đồ dòng truyền công suất và mạch dầu thủy lực, kết hợp ứng dụng phần mềm Matlab/Simulink để mô phỏng số và khảo sát các đặc tính động lực học thông qua các đồ thị vận tốc, gia tốc và mô-men xoắn. Kế hoạch thực hiện đồ án được triển khai từ ngày 02/02/2024 đến ngày 10/06/2024, trải qua 8 giai đoạn công việc từ nhận đề tài, thu thập tài liệu, nghiên cứu mạch động lực - thủy lực, xây dựng mô hình Simulink, đánh giá kết quả và nộp báo cáo hoàn chỉnh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài vận dụng các cơ sở lý thuyết kỹ thuật ô tô và cơ học chất lỏng được tổng hợp từ hai tài liệu kinh điển: "Lý thuyết ô tô" và "Tính toán và thiết kế ô tô". Trong phân tích cơ cấu cơ khí, tác giả ứng dụng lý thuyết động học bánh răng hành tinh. Tỷ số truyền $i$ được xác định theo tỷ lệ số răng ($i = z_{out} / z_{in}$) hoặc tỷ lệ bán kính cơ sở ($i = R_{out} / R_{in}$), với mối quan hệ vận tốc góc $\omega_{in} = i \cdot \omega_{out}$. Các trạng thái động học chính gồm:

  • Giảm tốc: Bánh răng mặt trời cố định, đầu vào là bánh răng bao, đầu ra là cần dẫn ($i = (z_r + z_s) / z_r$).
  • Đảo chiều: Cần dẫn cố định, đầu vào là bánh răng mặt trời, đầu ra là bánh răng bao ($i = -z_r / z_s$).
  • Nối trực tiếp: Đầu vào bao gồm cả bánh răng bao và bánh răng mặt trời, đầu ra là cần dẫn ($i = 1$).
  • Tăng tốc: Bánh răng mặt trời cố định, đầu vào là cần dẫn, đầu ra là bánh răng bao ($i = z_r / (z_s + z_r)$).

Về mặt thủy lực, đề tài dựa trên nguyên lý thủy động lực học của bộ biến mô (Torque Converter) gồm bánh bơm, bánh turbine, bánh dẫn hướng (stator) có khớp một chiều và ly hợp khóa biến mô nhằm khuếch đại mô-men xoắn và đóng vai trò như một khớp nối chất lỏng giữa động cơ và hộp số.

Khung tổng quan nghiên cứu của đồ án tiếp cận các công trình đã công bố trong và ngoài nước:

  • Trong nước: Đề tài "Chuyên đề hộp số tự động" của Nguyễn Duy Toàn và Dương Phúc Vinh (Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM) về cấu tạo và nguyên lý điều khiển hộp số tự động; đề tài "Đề xuất bộ điều khiển chuyển số trong hộp số tự động trên ô tô" của Hồ Hữu Hùng, Nguyễn Thành Công và Phạm Trọng Tuệ nghiên cứu thuật toán chuyển số theo độ mở bướm ga và tốc độ xe dùng Matlab/Stateflow.
  • Ngoài nước: Nghiên cứu của Kevin Newman, John Kargul và Daniel Barba sử dụng công cụ ALPHA và thuật toán ALPHAshift dự đoán điểm chuyển số; nghiên cứu của Cesar Henrique Ferreira Amendola et al. (Schaeffler do Brasil / LuK) so sánh hiệu quả sang số giữa hộp số tự động AT và ly hợp kép DCT; nghiên cứu của Jony J. Dionísio và Franco G. kết hợp phần mềm Adams và Matlab/Simulink tối ưu hóa thời điểm sang số ở các vòng tua 3500 và 4500 vòng/phút.

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm phương pháp phân tích - tổng hợp lý thuyết kỹ thuật, thu thập thông số kỹ thuật danh định của hộp số và xe từ hãng Chevrolet, tham vấn chuyên môn từ giảng viên hướng dẫn, và phương pháp mô phỏng số hóa hệ thống trên phần mềm Matlab/Simulink kết hợp các thư viện chuyên dụng Simscape Driveline và Stateflow.

Thiết kế và triển khai mô hình mô phỏng kỹ thuật

Mô hình mô phỏng kỹ thuật của đề tài được thiết lập hoàn toàn trong môi trường Matlab/Simulink, chia thành 4 phân hệ chính:

  1. Phân hệ dòng truyền công suất hộp số 6T40: Sử dụng thư viện Simscape Driveline để mô hình hóa cơ cấu bánh răng hành tinh 3 cụm (Planetary Gear Input, Output và Overdrive - OD). Các phần tử ma sát điều khiển được mô hình hóa bằng khối ly hợp ma sát nhiều đĩa (Disc Friction Clutch), khối khớp một chiều (Unidirectional Clutch), kết hợp khối chuẩn quay cơ học (Mechanical Rotational Reference), khối nguồn vận tốc lý tưởng (Ideal Velocity Source) và bộ giảm chấn quay (Rotational Damper). Các khối tín hiệu điều khiển độc lập được lập trình để đóng/ngắt các cụm ly hợp và phanh tương ứng với từng tay số từ số 1 đến số 6.

  2. Phân hệ hệ thống truyền lực ô tô: Tích hợp đầy đủ các cụm động lực học trên xe Chevrolet Malibu 2013, bao gồm khối động cơ chuẩn (Generic Engine), khối biến mô thủy lực (Torque Converter), khối thân xe (Vehicle Body), cụm vi sai và khối bánh xe/lốp (Tire).

  3. Phân hệ điều khiển chuyển số (Transmission Control): Xây dựng bằng công cụ Stateflow thông qua khối Gear Shift, khối hàm tính toán ngưỡng chuyển số (ComputeThresHold), khối thiết lập quy luật lên số (Upshifting) và về số (DownShifting). Sơ đồ trạng thái logic điều khiển tuần tự quá trình sang số từ 1 đến 3, từ 3 đến 5 và từ 4 đến 6 dựa trên hai tín hiệu đầu vào chính là độ mở bướm ga (%) và vận tốc xe (km/h).

  4. Phân hệ điều khiển và quan sát Dashboard: Thiết lập giao diện điều khiển và hiển thị trực quan thông qua khối núm xoay (Knob) để can thiệp bướm ga và độ dốc mặt đường; khối đồng hồ kim (Circular Gauge) để hiển thị tốc độ động cơ và tốc độ di chuyển của xe; và khối ảnh đa trạng thái (MultiStageImage) để thể hiện trực quan vị trí tay số đang hoạt động.

Các kịch bản kiểm thử mô phỏng kỹ thuật được triển khai bao gồm: kiểm thử khả năng tăng tốc toàn tải ở độ mở bướm ga 100% để xác định tốc độ cực đại; khảo sát xe khi bướm ga tăng dần; mô phỏng chuyển động leo dốc có lực cản dốc; và kiểm thử khả năng đáp ứng trên Dashboard khi có tác động của lực cản gió.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về đề tài

Chương 1 trình bày lý do lựa chọn nghiên cứu hộp số 6T40 xuất phát từ xu hướng phát triển phương tiện giao thông và yêu cầu về tính kinh tế nhiên liệu, an toàn, êm dịu trên ô tô. Chương này tổng quan các nghiên cứu trong nước (Nguyễn Duy Toàn, Dương Phúc Vinh; Hồ Hữu Hùng và cộng sự) và các nghiên cứu ngoài nước (Kevin Newman và cộng sự với công cụ ALPHA; Cesar Henrique Ferreira Amendola và cộng sự; Jony J. Dionísio và Franco G. kết hợp Adams - Simulink). Tác giả xác lập rõ 3 mục tiêu nghiên cứu, 5 nội dung triển khai, phương pháp tiếp cận và phạm vi nghiên cứu lý thuyết - mô phỏng. Kế hoạch công việc kéo dài 19 tuần từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2024 được cụ thể hóa tại Bảng 1.1.

Chương 2: Giới thiệu về hộp số tự động 6T40

Nội dung chương tập trung giải tích cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các cụm chức năng trên hộp số 6T40 trang bị cho xe Chevrolet Malibu 2013:

  • Bộ biến mô thủy lực: Cấu tạo gồm bánh bơm, bánh turbine, bánh dẫn hướng stator (lắp trên khớp một chiều) và ly hợp khóa biến mô. Phân tích nguyên lý truyền công suất bằng lực ly tâm của dầu và nguyên lý khuếch đại mô-men xoắn nhờ stator đổi hướng dòng dầu hồi về bánh bơm.
  • Bộ truyền bánh răng hành tinh: Gồm 3 bộ bánh răng hành tinh, cần dẫn, các ly hợp và dải phanh. Thiết lập bảng công thức tỷ số truyền cho 4 chế độ làm việc (Bảng 2.1) và công bố bảng số răng thực tế của hộp số 6T40 (Bảng 2.2).
  • Cụm vi sai: Cấu tạo gồm truyền lực cuối (bánh răng chủ động/bị động) và truyền lực vi sai (vỏ vi sai, bánh răng hành tinh vi sai, bánh răng bán trục). Phân tích động học khi xe đi thẳng và khi vào cua rẽ trái.
  • Cơ cấu chuyển số và dòng truyền công suất: Phân tích ma trận chuyển số (Bảng 2.3) gồm 3 bộ ly hợp (4-5-6, 3-5-R, 1-2-3-4), 2 phanh (2-6, L-R) và 1 khớp một chiều L-R (OWC). Phân tích chi tiết đường truyền công suất ở từng tay số: số 1, số 1 có phanh động cơ (phanh L-R tham gia giữ cần dẫn bộ truyền 1 và bánh răng bao 2), số 2, số 3, số 4, số 5, số 6 và số lùi (R).

Chương 3: Hệ thống điều khiển thủy lực trên hộp số 6T40

Chương 3 trình bày chi tiết mạng lưới mạch dầu và cơ cấu điều khiển thủy lực - điện tử:

  • Cấu tạo cụm cơ khí thủy lực: Bơm dầu kiểu lưỡi liềm (bơm ăn khớp trong), cụm các piston - đĩa ly hợp ma sát ướt, khớp một chiều OWC.
  • Hệ thống van điều khiển: Phân tích nguyên lý của van điều áp chính, van một chiều giảm chấn, các van điện từ tỷ lệ điều khiển áp suất ly hợp, van chuyển số điều khiển bằng tay (Manual Valve) ở các vị trí P, R, N, D; van cấp áp bộ điều khiển, van chọn ly hợp, van tín hiệu khóa biến mô, van điều áp cấp bù và các van bi một chiều.
  • Mạch dầu chức năng: Thuyết minh chi tiết đường dẫn dầu bôi trơn, làm mát và sơ đồ mạch dầu áp suất cao/hồi dầu ở từng trạng thái vận hành cụ thể: tay số P, tay số lùi (R), tay số trung gian (N), tay số 1 khi phanh động cơ, tay số 1, 2, 3, 4, 5 và 6.

Chương 4: Ứng dụng Matlab/Simulink để mô phỏng hộp số tự động 6T40

Chương 4 là phần thực nghiệm mô phỏng số của đồ án:

  • Ứng dụng các thư viện Simscape, Simscape Driveline và Stateflow để xây dựng mô hình dòng truyền công suất của hộp số 6T40 với các bộ bánh răng hành tinh Input, Output, OD và các khối ly hợp ma sát.
  • Thiết lập mô hình hoàn chỉnh hệ thống truyền lực xe Chevrolet Malibu 2013 với các khối Generic Engine, Torque Converter, Vehicle Body, vi sai và Tire.
  • Xây dựng thuật toán chuyển số tự động trong Stateflow bằng các khối Gear Shift, ComputeThresHold, sơ đồ sang số Upshifting/DownShifting.
  • Khảo sát các kịch bản động lực học: Xuất đồ thị tốc độ xe, gia tốc xe, đồ thị tay số ở độ mở bướm ga 100%, đồ thị bướm ga tăng dần, đồ thị mô-men xoắn truyền lực và đồ thị leo dốc. Thiết lập giao diện điều khiển ảo Dashboard qua các khối Knob, Circular Gauge và MultiStageImage.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Đánh giá mức độ hoàn thành so với mục tiêu đề ra về mặt khảo cứu kết cấu, giải mã hệ thống thủy lực và xây dựng mô hình mô phỏng. Xác định các kết quả chính và đề xuất các định hướng phát triển nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã trích xuất và hệ thống hóa chính xác các thông số kết cấu cơ khí của hộp số 6T40 trên xe Chevrolet Malibu 2013, thể hiện qua số răng của các cụm bánh răng hành tinh:

Bánh răng trong hộp số 6T40 Ký hiệu / Vị trí Số răng (răng)
Bánh răng mặt trời số 1 Sun gear 1 34
Bánh răng bao số 1 Ring gear 1 98
Bánh răng mặt trời số 2 Sun gear 2 41
Bánh răng bao số 2 Ring gear 2 89
Bánh răng mặt trời số 3 Sun gear 3 41
Bánh răng bao số 3 Ring gear 3 99

Về quy luật điều khiển, đồ án đã tổng hợp ma trận hoạt động của các phần tử ma sát (ly hợp, phanh, khớp một chiều) ở các tay số (Bảng 2.3 trong văn bản):

Vị trí cần số / Dải số Ly hợp 4-5-6 Ly hợp 3-5-R Ly hợp 1-2-3-4 Phanh 2-6 Phanh L-R Khớp OWC L-R
P (Đỗ) - - - - o -
R (Lùi) - O - - O -
N (Trung gian) - - - - o -
1st (Số 1) - - O - - O
1st (Phanh động cơ) - - O - O *
2nd (Số 2) - - O O - -
3rd (Số 3) - O O - - -
4th (Số 4) O - O - - -
5th (Số 5) O O - - - -
6th (Số 6) O - - O - -

*(Ghi chú ký hiệu: O: Hoạt động; -: Không hoạt động; : Hoạt động nhưng không hiệu quả; o: Hoạt động khi không tải).

Về kết quả mô phỏng:

  • Bảng 4.2 của đồ án đã đối chiếu và kiểm chứng tỷ số truyền của hộp số 6T40 giữa giá trị tính toán lý thuyết thực tế và kết quả mô phỏng bằng Simscape Driveline, cho thấy sự trùng khớp về mặt động học truyền động.
  • Mô hình điều khiển Stateflow đã tái hiện chính xác quy luật chuyển số tự động từ số 1 đến số 6 dựa trên thuật toán ngưỡng vận tốc và độ mở bướm ga.
  • Đồ thị mô phỏng phản ánh đúng các quy luật động lực học của xe Chevrolet Malibu: đường cong tăng tốc, biến thiên gia tốc theo từng bước số, phân bố mô-men xoắn hệ thống truyền lực, và sự suy giảm vận tốc/thay đổi cấp số khi xe gặp lực cản leo dốc hoặc cản gió.

Đóng góp chính của đề tài là xây dựng được tài liệu mô tả chi tiết bằng tiếng Việt về kết cấu cơ khí, đường truyền công suất và mạch dầu thủy lực của dòng hộp số GM 6T40; đồng thời cung cấp một bộ mô hình mô phỏng hoàn chỉnh có giao diện tương tác Dashboard trên Matlab/Simulink, phục vụ trực tiếp cho công tác học tập, giảng dạy chuyên ngành Kỹ thuật Ô tô.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên phạm vi và nội dung trình bày trong đồ án, nghiên cứu tồn tại một số hạn chế:

  • Đề tài thuần túy thực hiện trên cơ sở lý thuyết kết cấu và mô phỏng số hóa trên máy tính (Simulink/Stateflow), chưa tiến hành thực nghiệm kiểm chứng trên bệ thử dyno hoặc thử nghiệm thực tế trên xe Chevrolet Malibu để đo lường các sai số cơ khí thực tế.
  • Các mô hình thành phần (động cơ Generic Engine, biến mô Torque Converter, lốp Tire) sử dụng các thông số danh định lý thuyết của nhà sản xuất, chưa mô hình hóa chi tiết sự suy giảm phẩm cấp của dầu thủy lực theo nhiệt độ làm việc hoặc độ mài mòn của các đĩa ma sát ly hợp sau thời gian dài vận hành.

Hướng nghiên cứu tiếp theo được văn bản đề cập và định hướng:

  • Mở rộng mô hình mô phỏng để kết nối với các bệ thử phần cứng trong vòng lặp (Hardware-in-the-Loop - HIL), phục vụ kiểm thử và tinh chỉnh các bộ điều khiển hộp số (TCU) thực tế.
  • Tối ưu hóa thuật toán chuyển số hướng tới mục tiêu giảm suất tiêu hao nhiên liệu và giảm phát thải khí xả ở các dải tốc độ khác nhau.
  • Nghiên cứu phát triển thuật toán điều khiển thích ứng với phong cách lái xe và điều kiện địa hình phức tạp.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu hộp số tự động 6T40" là tài liệu học thuật có giá trị tham khảo thiết thực cho:

  • Sinh viên, học viên cao học chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Cơ khí Động lực tham khảo phương pháp luận phân tích dòng truyền công suất và hệ thống thủy lực hộp số tự động nhiều cấp.
  • Giảng viên ngành ô tô sử dụng nội dung Chương 2 và Chương 3 làm học liệu trực quan cho các học phần Kết cấu ô tô, Hệ thống điều khiển tự động trên ô tô và Chẩn đoán kỹ thuật ô tô.
  • Người làm đồ án, khóa luận tốt nghiệp hoặc nghiên cứu sinh cần tài liệu hướng dẫn xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống truyền lực xe du lịch bằng công cụ Simscape Driveline và Stateflow trong Matlab (Chương 4).

Câu hỏi thường gặp

  1. Hộp số tự động 6T40 được nghiên cứu trong đồ án do hãng nào sản xuất và được trang bị trên mẫu xe cụ thể nào? Hộp số 6T40 là sản phẩm do General Motors (GM) sản xuất, trang bị 6 số tiến và 1 số lùi, được nhóm tác giả nghiên cứu trên mẫu xe du lịch Chevrolet Malibu phiên bản năm 2013.

  2. Cụm bánh răng hành tinh của hộp số 6T40 có các thông số số răng chính xác là bao nhiêu? Theo Bảng 2.2 của đồ án, số răng của các bánh răng hành tinh trong hộp số 6T40 bao gồm: bánh răng mặt trời số 1 có 34 răng, bánh răng bao số 1 có 98 răng; bánh răng mặt trời số 2 có 41 răng, bánh răng bao số 2 có 89 răng; bánh răng mặt trời số 3 có 41 răng, và bánh răng bao số 3 có 99 răng.

  3. Những phần tử ma sát nào tham gia hoạt động khi hộp số 6T40 gài số lùi (R) và số 1 ở chế độ phanh động cơ? Theo sơ đồ chuyển số tại Bảng 2.3:

  • Ở tay số lùi (R): Ly hợp 3-5-R và phanh Low-Reverse (L-R) hoạt động.
  • Ở tay số 1 chế độ phanh động cơ: Ly hợp 1-2-3-4 và phanh Low-Reverse (L-R) cùng hoạt động (khớp một chiều L-R OWC cũng hoạt động nhưng không hiệu quả trong chiều truyền lực từ bánh xe về động cơ).
  1. Để mô phỏng hệ thống truyền lực của xe Chevrolet Malibu 2013, nhóm tác giả đã sử dụng những khối chức năng chính nào trong Simulink? Nhóm tác giả sử dụng các khối chính từ thư viện Simscape/Simscape Driveline gồm: khối Generic Engine (động cơ), khối Torque Converter (biến mô), khối Vehicle Body (thân xe), cụm vi sai, khối Tire (bánh xe/lốp), và cụm các khối Planetary Gear kết hợp Disc Friction Clutch mô phỏng dòng truyền công suất hộp số 6T40.

  2. Giao diện Dashboard trong mô hình mô phỏng Simulink của đồ án có chức năng gì và gồm các khối nào? Giao diện Dashboard đóng vai trò là bảng điều khiển và quan sát tương tác trực quan, bao gồm: khối núm xoay Knob để người dùng trực tiếp điều chỉnh độ mở bướm ga và độ dốc mặt đường; khối đồng hồ kim Circular Gauge để theo dõi vòng tua động cơ và tốc độ xe; và khối MultiStageImage để hiển thị tay số hiện hành của hộp số.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu hộp số tự động 6T40" của nhóm tác giả Trần Thanh Dân, Lê Nhất Khoa và Đoàn Chí Bằng đã hoàn thành việc khảo sát chi tiết cấu tạo cơ học, nguyên lý phân phối dòng công suất và hệ thống mạch dầu điều khiển thủy lực của hộp số 6 cấp 6T40 trên xe Chevrolet Malibu 2013. Bằng việc ứng dụng phần mềm Matlab/Simulink kết hợp Simscape Driveline và Stateflow, công trình đã xây dựng thành công mô hình mô phỏng động lực học và thuật toán chuyển số tự động có giao diện Dashboard tương tác trực tiếp. Kết quả mô phỏng đã kiểm chứng chính xác tỷ số truyền và các phản hồi động lực học dưới nhiều điều kiện tải trọng, cung cấp một nguồn tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo cao cho công tác đào tạo và nghiên cứu chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô.