LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi dƣới sự hƣớng dẫn
của PGS.TS Nguyễn Trọng Hoan. Luận văn đƣợc thực hiện tại Bộ môn ôtô và xe
chuyên dụng, Viện cơ khí động lực trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội. Các số liệu,
kết quả trình bày trong luận văn hoàn toàn trung thực và chƣa đƣợc ai công bố trong
bất kỳ công trình nào.

Hà Nội, ngày 23 tháng 09 năm 2013
Tác giả

Nguyễn Quang Trung


MỤC LỤC

MỤC LỤC ......................................................................................................... 1
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ....................................... 3
DANH MỤC CÁC BẢNG................................................................................ 6
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .................................................................... 7
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 9
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .......................... 11
1.1. Tình hình sản xuất, sử dụng ôtô trên thế giới và ở Việt Nam .................. 11
1.2. Đối tƣợng nghiên cứu đề của tài .............................................................. 12
1.3. Các nghiên cứu liên quan đến vấn đề tải trọng động tác dụng lên cơ cấu,
hệ thống của ô tô trong và ngoài nƣớc ............................................................ 16
1.3.1. Các nghiên cứu ở trong nƣớc ................................................................ 16
1.3.2. Các nghiên cứu ngoài nƣớc ................................................................... 18
1.4. Nhiệm vụ, phƣơng pháp nghiên cứu của đề tài ....................................... 18
1.4.1. Nhiệm vụ của đề tài............................................................................... 18
1.4.2. Phƣơng pháp nghiên cứu....................................................................... 19
1.5. Khái quát về phƣơng pháp mô phỏng ...................................................... 19

3.4. Khảo sát các chế độ tải trọng động tác dụng lên hộp sô .......................... 62
3.4.1. Mômen ở đầu vào hộp số tăng đột ngột ................................................ 63
3.4.2. Mômen ở đầu vào hộp số tăng dần theo quy luật M đc  M 0 (1  e  kt ) ….65
3.4.3. Mômen đầu vào hộp số biến thiên theo quy luật Sin (Mđc =M0 + QSinPt) .. 75
KẾT LUẬN CHUNG ...................................................................................... 84
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 86

2


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

I. Các chữ viết tắt
HTTL

Hệ thống truyền lực

ECU

Electronic Control Unit
Hệ thống điều khiển động cơ theo chƣơng trình

KH

Khoa học

TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam


TT

Ký hiệu

Đơn vị

Ý nghĩa

1

Kđ

2

MTmax

N.m

Mômen tác động lên khâu đang xét

3

Memax

N.m

Mômen cực đại của động cơ tác động trên khâu đang xét

4


Vận tốc của khối lƣợng chuyển động tịnh tiến

8

Mj

N.m

Mô men do lực quán tính

9

Mkt

N.m

Mô men do lực khí thể

10

Mđc

N.m

Mômen của động cơ đƣa vào hộp số

11

Môtô


N.m/rad Độ cứng của trục chủ động hộp số

17

c2

N.m/rad Độ cứng của trục trung gian hộp số

18

c3

N.m/rad Độ cứng của trục bị động hộp số

19

b1

N.s/m

Hệ số cản xoắn của trục chủ động hộp số

20

b2

N.s/m

Hệ số cản xoắn của trục trung gian hộp số


Góc quay ở đầu trục trung gian hộp số

25

4

Rad

Góc quay ở cuối trục trung gian hộp số

26

5

Rad

Góc quay ở đầu trục bị động hộp số

27

6

Rad

Góc quay ở cuối trục bị động hộp số

28

I1


31

r1 , r2

m

32

r4 , r5

m

33

b

N.s/m

34

P

Hz

Tần số dao động

35

Q



Hệ số tải trọng động thay đổi theo biên độ dao động của
mô men xoắn động cơ

82

6


DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

TT

Hình vẽ

1

Hình 1.1

Sơ đồ hộp số hai trục

13

2

Hình 1.2

Sơ đồ hộp số ba trục 3 cấp số

13


Hình 2.3

8

Hình 2.4

9

Hình 2.5

10

Hình 3.1

Sơ đồ truyền lực khi gài số của hộp số

51

11

Hình 3.2

Mô hình hai bánh răng ăn khớp

52

12

Hình 3.3


58

17

Hình 3.8

Mô men ở đầu vào hộp số

59

18

Hình 3.9

Mô men trên trục chủ động của hộp số

60

19

Hình 3.10 Mô men trên trung gian của hộp số

60

20

Hình 3.11 Mô men trên trục bị động của hôp số

61

56


hợp đột ngột
Mô men trong trƣờng hợp HSĐT cho tốc độ đóng ly

22

Hình 3.13

23

Hình 3.14

24

Hình 3.15

25

Hình 3.16

26

Hình 3.17

27

Hình 3.18


Hình 3.26

hợp k=50
Mômen trong trƣờng hợp hệ số đặc trƣng cho tốc độ
đóng ly hợp k=100
Mô men trong trƣờng hợp hệ số đặc trƣng cho tốc độ
đóng ly hợp k=150
Mô men trong trƣờng hợp hệ số đặc trƣng cho tốc độ
đóng ly hợp k=200
Mô men trong trƣờng hợp hệ số đặc trƣng cho tốc độ
đóng ly hợp k=250
Mô men trong trƣờng hợp hệ số đặc trƣng cho tốc độ
đóng ly hợp k=300
Đồ thị biểu diễn hệ số tải trọng động khi thay đổi tốc
độ đóng ly hợp
Mô men trong trƣờng thay đổi BĐDĐ của mômen
xoắn động cơ Q=3
Mô men trong trƣờng thay đổi BĐDĐ của mômen
xoắn động cơ Q=5
Mô men trong trƣờng thay đổi BĐDĐ của mômen
xoắn động cơ Q=7
Mô men trong trƣờng thay đổi BĐDĐ của mômen
xoắn động cơ Q=9
Mô men trong trƣờng thay đổi BĐDĐ của
mômen xoắn động cơ Q=12
Đồ thị biểu diễn HSTTĐ theo biên độ dao động của
mômen xoắn động cơ

8


loại và ngày càng hoàn thiện trên mọi tiêu chí và đã trở thành phƣơng tiện vận
chuyển quan trọng trong nền kinh tế quốc dân.
Ở Việt Nam ngành công nghiệp sản xuất ôtô đang đƣợc phát triển mạnh. Vấn
đề tăng tỷ lệ nội địa hoá trong sản xuất là mục tiêu quan trọng và là hƣớng phát
triển tất yếu của ngành ôtô Việt Nam trong sự nghiệp công nghiệp hoá hiện đại hoá
đất nƣớc. Chính vì vậy, việc nghiên cứu sâu hơn để hiểu rõ các quá trình xảy ra bên
trong các hệ thống để can thiệp sâu hơn vào các quá trình đó nhằm đạt đƣợc những
kết quả tối ƣu đã và đang đặt ra cho ngành sản xuất ôtô.
Xuất phát từ những yêu cầu cấp thiết trên, tôi đã chọn đề tài “Nghiên cứu xác
định các chế độ tải trọng động tác dụng lên hộp số ô tô trong quá trình chuyển
động”. Đề tài gồm 3 Chƣơng:
Chƣơng 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu.
Chƣơng 2: Mô phỏng hộp số ôtô bằng mô hình dao động xoắn.
Chƣơng 3: Mô phỏng và tính toán các chế độ tải trọng động tác dụng lên HS ôtô.
Trong thời gian làm luận văn tôi luôn nhận đƣợc sự hƣớng dẫn, chỉ bảo tận
tình của thầy giáo hƣớng dẫn khoa học PGS-TS Nguyễn Trọng Hoan cùng các thầy
giáo trong Bộ môn ô tô và xe chuyên dụng của trƣờng ĐHBK Hà Nội. Cùng với sự
nỗ lực cố gắng của bản thân tôi đã hoàn thành đƣợc luận văn của mình. Tôi xin chân
thành cảm ơn PGS-TS Nguyễn Trọng Hoan đã tận tình hƣớng dẫn tôi hoàn thành

9


tốt đề tài này cùng các thầy giáo trong Bộ môn ô tô và xe chuyên dụng của trƣờng
ĐHBK Hà Nội và các bạn đồng nghiệp.
Ngày 23 tháng 9 năm 2013

Nguyễn Quang Trung

10

Ngành công nghiệp ôtô đã đƣợc Chính phủ xác định là ngành công nghiệp
quan trọng. Sau hơn 15 năm kể từ khi có liên doanh ôtô đầu tiên tại Việt Nam, hiện
nay ngoài 12 liên doanh đã có hơn 30 doanh nghiệp nhà nƣớc, tƣ nhân sản xuất, lắp
ráp ôtô, đặt ngành công nghiệp ôtô Việt Nam trƣớc những thách thức lớn, trong đó
có vấn đề tỷ lệ nội địa hoá các chi tiết của ôtô, tiến tới làm chủ công nghệ chế tạo
ôtô trong quá trình hội nhập với khu vực và Thế giới. Do đó vấn đề nghiên cứu, chế
tạo hoàn thiện và đảm bảo chất lƣợng các chi tiết, cụm chi tiết và hệ thống của ôtô
là việc làm tất yếu đối với sự phát triển của nghành công nghiệp ôtô Việt Nam.
1.2. Đối tƣợng nghiên cứu đề của tài
Đối tƣợng nghiên cứu của đề tài là xác định các chế độ tải trọng động tác dụng
lên hộp số ôtô trong quá trình chuyển động. Hộp số có nhiệm vụ truyền và thay đổi
mô men xoắn từ động cơ tới các cầu chủ động cho phù hợp với điều kiện mặt đƣờng
theo ý định của ngƣời lái. Bảo đảm cho ôtô có khả năng chuyển động lùi hoặc dừng
ôtô tại chỗ lâu mà không cần tắt máy hoặc mở ly hợp. Trong quá trình nghiên cứu
đề tài tập trung vào xây dựng mô hình và mô phỏng các chế độ tải trọng động tác
dụng lên hộp số ôtô trong quá trình chuyển động bằng công cụ Simulink của Matlab
với mô hình sử dụng trong quá trình mô phỏng là mô hình dao động xoắn. Từ kết
quả của quá trình mô phỏng có phân tích, nhận xét cho từng trƣờng hợp cụ thể, từ
đó làm cơ sở cho công tác nghiên khoa học tiếp theo và thực tiễn giảng dạy tại
Trƣờng Cao đẳng công nghệ và Kỹ thuật ôtô - Bộ quốc Phòng.
Một số loại hộp số thông thƣờng

12


* Hộp số 2 trục (hình 1.1)
3

L1


I

I

I

I

3X
3
2

4

Hình 1.2: Sơ đồ hộp số ba trục 3 cấp số
1- Trục chủ động; 2- Trục trung gian; 3- Trục bị động; 4- Trục số lùi

13


* Hộp số ba trục 4 cấp số tiến (hình 1.3)
I

II
IV

III

1



Ƣu điểm: Có tỷ số truyền cao, có kích thƣớc và trọng lƣợng nhỏ do vậy giảm
đƣợc một phần trọng lƣợng của ôtô. Thời gian sử dụng số truyền thẳng cao do vậy
nâng cao đƣợc tính kinh tế.
Nhƣợc điểm: Mô men đƣợc truyền qua hai cặp bánh răng nên hiệu suất truyền
động giảm, kích thƣớc ổ phía trƣớc của trục sơ cấp bị hạn chế vì ổ này đặt trong hốc
của trục sơ cấp. Kích thƣớc bánh răng thƣờng tiếp trên trục sơ cấp không tăng đƣợc.
Tuy nhiên mỗi ô tô là một hệ động lực rất phức tạp, nếu chuyển động trên các
loại đƣờng khác nhau với các vận tốc khác nhau, trạng thái chịu tải của các chi tiết
cũng thay đổi theo. Vì vậy, khi tính toán độ bền của các chi tiết và bộ phận của ôtô,
ngoài tải tọng tĩnh cần phải xét đến tải trọng động. Thực tế tải trọng động tác dụng
lên chi tiết thƣờng trong thời gian ngắn, nhƣng trị số của nó lại lớn hơn tải trọng
tĩnh rất nhiều thực tế trị số tải trọng động luôn thay đổi do trạng thái chuyển động
của ôtô và điều kiện mặt đƣờng luôn thay đổi. Vì vậy, việc xác định chính xác trị số
của tải trọng động tác dụng lên các chi tiết của ôtô là một bài toán rất phức tạp.
Đối với hệ thống truyền lực của ô tô, tải trọng tĩnh tác dụng lên các chi tiết
đƣợc tính từ mô men xoắn cực đại của động cơ Memax. Còn tải trọng động, thƣờng
đƣợc xác định bằng phƣơng pháp tính toán hoặc từ các thí nghiệm.
Thông thƣờng tải trọng động đƣợc đặc trƣng bởi hệ số tải trọng động Kđ. Hệ
số này đƣợc xác định bằng tỷ số giữa trị số tải trọng động với trị số tải trọng tĩnh:
Kđ 

M T m ax
M e m ax

1.1

Trong đó: MTmax - là mômen tác động lên khâu đang xét (trị số tải trọng đông)
quy về trục sơ cấp của hộp số; Memax- là mômen cực đại của động cơ tác động trên


nó đến hệ thống truyền lực. Trong đó tác giả đã xây dựng mô hình của hệ thống
truyền lực gồm 5 khối lƣợng. Các khối lƣợng tập trung trong mô hình chỉ đặc trƣng
bởi một thông số là mô men quán tính và tác giả đã coi cụm hộp số, cụm cầu xe,
cụm ly hợp là các cụm chỉ là 1 khối lƣợng, nhƣng trong thực tế, các cụm đó bao
gồm nhiều chi tiết các chi tiết ấy có những đặc tính riêng ảnh hƣởng đến sự làm
việc của hệ thống truyền lực.
Tác giả Vũ Văn Thuyết trong luận văn cao học "Mô phỏng hệ thống truyền lực
bằng mô hình dao động xoắn" tác giả đã đi sâu nghiên cứu mô hình hệ thống truyền
lực cơ khí với bộ ly hợp ma sát khô đơn thƣờng đóng đƣợc xây dựng bằng các
phƣơng trình vi phân mô tả hệ thống. Các khối lƣợng quán tính, các trục nối các
khối lƣợng đƣợc ứng xử nhƣ một hệ đàn hồi đã đƣợc mô tả, cho phép ta nghiên cứu
đƣợc các yếu tố ảnh hƣởng đến cả hệ thống một cách sinh động mà không cần tiến
hành các thử nghiệm trên các đối tƣợng thực.
Một số bài báo đăng trên các tạp chí chuyên ngành về hệ thống truyền lực nhƣ
bài bảo của tác giả Nguyễn Văn Bang và Trần Văn Nhƣ tạp chí KH Giao Thông
Vận Tải, tác giả đã trình bày phƣơng pháp khảo sát ảnh hƣởng của độ cứng lò xo
giảm chấn Ly hợp đến cộng hƣởng trong hệ thống truyền lực với nguồn kích thích
từ động cơ, từ đó lựa chọn hợp lý độ cứng của lò xo giảm chấn, mục đích đƣa vùng
cộng hƣởng ra khỏi vùng tốc độ khai thác của ôtô. HTTL đã đƣợc tác giả coi là hệ
bao gồm các khối lƣợng tập trung phần khối lƣợng tập trung chỉ đƣợc đặc trƣng bởi
tính quán tính, các thành phần nối các khối lƣợng chỉ đƣợc đặc trƣng bằng độ cứng.

17


1.3.2. Các nghiên cứu ngoài nƣớc
Việc nghiên cứu dao động xoắn hệ thống truyền lực ôtô đƣợc tiến hành từ rất
lâu, nhiều công trình của hàng trăm tác giả.
Năm 1970 Mischle đã biên soạn tập trung với các nghiên cứu dao động lại
thành tác phẩm nổi tiếng của mình là: "Dynamik der Fahrzeuge". Tác giả đã đề cập

1.4.2. Phƣơng pháp nghiên cứu
Phƣơng pháp nghiên cứu đƣợc sử dụng trong luận văn là nghiên cứu lý thuyết,
tính toán mô phỏng trên phần mềm chuyên dụng, nghiên cứu khảo sát sử dụng một
số thông số thực để kiểm chứng và đánh giá.
Dựa trên các hiện tƣợng thƣờng gây ra tải trọng động tác động lên hộp số của
ô tô trong quá trình sử dụng đề tài tập trung nghiên cứu các vấn đề.
- Tải trọng từ dao động mô men xoắn của động cơ.
- Tải trọng mấp mô từ mặt đƣờng.
- Tốc độ đóng ly hợp.
1.5. Khái quát về phƣơng pháp mô phỏng
Có rất nhiều phƣơng pháp nghiên cứu khoa học đƣợc sử dụng rộng rãi và
mang lại hiệu quả rất cao trong nghiên cứu khoa học. Mô phỏng là một phƣơng
pháp nghiên cứu khoa học đƣợc sử dụng rộng rãi nhất trong xã hội hiện đại, nó là
công cụ chung dùng cho công việc phân tích, thiết kế ở nhiều lĩnh vực khác nhau.

19


Vậy mô phỏng có thể đƣợc hiểu là quá trình nghiên cứu một hệ thống thực
thông qua mô hình, đảm bảo tính tƣơng tự giữa kết quả của hệ thống thực trong
cùng một điều kiện khảo sát với sai số trong giới hạn cho phép.
Chúng ta có thể sử dụng nhiều phần mềm khác nhau để tiến hành mô phỏng
trên máy các hệ thống động lực. Tuy nhiên tất cả các công việc mô phỏng trên máy
tính bao hàm những công việc sau:
- Xây dựng mô hình toán học: Thực chất của việc xây dựng mô hình toán học
là xây dựng các hệ phƣơng trình vi phân mô tả hệ thống và thể hiện các quy luật
chung của hệ thống về các đặc tính vật lí.
- Xác định các thông số của mô hình: Các thông số của mô hình liên quan tới
các giá trị mà thông thƣờng không bị thay đổi trong quá trình mô phỏng . Ví dụ
nhƣ hệ thống cơ khí là độ cứng và khối lƣợng của lò xo. Trong thực tế các thông số

Có nhiều phƣơng pháp để tính toán xác định các chế độ tải trọng động tác
dụng lên hệ thống truyền lực của ôtô nói chung và của hộp số ô tô nói riêng trong
quá trình chuyển động, nhƣng trong chƣơng trình của đề tài này ta chỉ đề cập đến
phƣơng pháp xác định các chế độ tải trọng động tác dụng lên hộp số của ôtô trong
quá trình chuyển động bằng phƣơng pháp sử dụng sơ đồ mô hình dao động xoắn để
tính.
1.6. Giới thiệu về phần mềm Matlab

21


Hiện nay đã có rất nhiều các phần mềm chuyên dụng để tính toán động
lực học của nhiều hệ động lực học nhƣ: EASY5 (của hãng Boing), ALASKA và
Matlab với công cụ mô phỏng SIMULINK. Các phần mềm này đều có những ứng
dụng rất hiệu quả trong nhiều lĩnh vực. Trong luận văn sẽ sử dụng phần mềm
MaíLab để khảo sát dao động xoắn trên trục khuỷu động cơ và ảnh hƣởng của nó
tới hệ thống truyền lực ôtô.
1.6.1. Giới thiệu sơ lƣợc về Matlab
Chƣơng trình MATLAB là một chƣơng trình viết cho máy tính cá nhân nhằm
hỗ trợ cho tính toán khoa học và kỹ thuật với các phần tử cơ bản là ma trận do
công ty " The Mathworks" viết ra. Thuật ngữ MATLAB có đƣợc là do hai từ
MATRIX và LABORATORY ghép lại. Chƣơng trình này hiện sử dụng nhiều
trong nghiên cứu các vấn đề tính toán của các bài toán kỹ thuật nhƣ: Lý thuyết điều
khiển tự động, kỹ thuật thống kê, sắc xuất, xử lý số các tín hiệu, phân tích dữ liệu,
dự báo quan sát...MATLAB đƣợc điều khiển bởi các tập lệnh, tác động qua bàn
phím. Nó cho phép lập trình với cú pháp thông dịch lệnh thông qua các file kịch
bản còn gọi là Script file. Các lệnh hay bộ lệnh của MATLAB lên đến số hàng
trăm và ngày càng phát triển mở rộng nhờ các TOOLS BOX (là các thƣ viện trợ
giúp) hay thông qua các hàm ứng dụng đƣợc xây dựng từ ngƣời sử dụng.
MATLAB có hơn 25 TOOLS BOX để trợ giúp cho việc khảo sát những vấn đề có

là thuật ngữ mô phỏng đƣợc ghép bởi hai từ Simulation và Link. Simulink cho

23


phép mô tả hệ thống tuyến tính, hệ phi tuyến, các mô hình trong miền thời gian
liên tục và gián đoạn. Để mô hình hoá, Simulink cung cấp một giao diện đồ hoạ
để sử dụng và xây dựng mô hình với các thao tác "nhấn và kéo chuột”. Với
giao diện đồ hoạ, có thể xây dựng và khảo sát mô hình một cách trực quan
hơn. Đây là sự khác biệt với các phần mềm khác mà ngƣời sử dụng phải đƣa
vào các phƣơng trình vi phân và sai phân bằng ngôn ngữ lập trình. Phần quan trọng
nhất trong mô phỏng là việc thành lập mô hình. Để sử dụng tốt Simulink, ngƣời sử
dụng phải có kiến thức cơ bản về điều khiển, xây dựng mô hình toán học theo quan
điểm lý thuyết của điều khiển và từ đó thành lập nên mô hình tính toán.
Ƣu điểm vƣợt trội của Simulink trong MATLAB là khả năng tích kết hợp hệ
thống rất mạnh mẽ. Trƣớc kia Simulink đƣợc sử dụng phổ biến đối với nghành
điện, điện tử và điều khiển. Do đƣợc hỗ trợ công nghiệp mạnh nên có độ tin cậy
cao. Với một mô hình đƣợc mô phỏng hoàn toàn có thể đƣợc áp dụng trong thực
tế. Simulink làm việc dựa trên cơ sở giải các phƣơng trình toán học. Vì vậy với
một hệ thống có nhiều cụm có các tính chất vật lý khác nhau (cơ khí, thuỷ lực,
điện, khí...) nếu có thể mô tả bằng các phƣơng trình toán học đều đƣợc giải kết hợp
trong cùng một mô hình. Trƣớc kia thƣờng khảo sát các hệ thống khác nhau về
phƣơng diện vật lý một cách riêng rẽ. Ví dụ để khảo sát hệ thống truyền lực thuỷ
cơ, thƣờng khảo sát riêng rẽ quá trình làm việc của biến mô thuỷ lực và phần cơ
khí còn lại. Ngày nay nhờ công cụ Simulink có thể khảo sát kết hợp các hệ thống
với nhau. Mặt khác trong nghành công nghiệp ôtô hiện đại thƣờng kết hợp cơ khí,
thuỷ lực, điện tử với nhau chứ không còn đơn thuần cơ khí nhƣ trƣớc kia. Vì vậy
việc khảo sát sẽ gặp nhiều khó khăn.

24