Nghiên cứu điều khiển gài số cho hệ thống truyền lực AMT

SCIENCE TECHNOLOGY 
Số 51.2019 ● Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 67
NGHIÊN CỨU ĐIÊÙ KHIỂN GÀI SỐ 
CHO HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC AMT 
GEARSHIFT CONTROL DESIGN FOR AUTOMATED MANUAL TRANSMISSION (AMT) 
Trần Văn Như*, Tạ Thị Thanh Huyền 
TÓM TẮT 
Hệ thống truyền lực AMT (Automated Manual Transmission) là loại hệ thống
truyền lực có cấp loại bánh răng và được tự động hóa điều khiển quá trình chuyển 
số bằng bộ phận chấp hành điện hoặc thủy lực. Hệ thống truyền lực AMT kết hợp
được ưu điểm của hệ thống truyền lực cơ khí và hệ thống truyền lực tự động như: 
chuyển số êm dịu, tiết kiệm nhiên liệu và có tính năng động lực học tốt. Một 
trong các vấn đề đặt ra đối với hệ thống truyền lực AMT là nghiên cứu bộ phận
chấp hành điều khiển gài số. Trong bài báo này, các tác giả xây dựng mô hình bộ
phận chấp hành gài số, mô phỏng điều khiển gài số và khảo sát ảnh hưởng của
lực gài đến thời gian gài số. 
Từ khóa: Hệ thống truyền lực AMT, bộ đồng tốc, mô hình hóa, mô phỏng. 
ABSTRACT 
Automated manual transmission (AMT) is a type of sequential manual 
transmission. It uses a traditional manual gearbox with an electronic control unit
that supervise the use of the clutch and gear shifting. The AMT combines the 
advantages of a automatic transmission and a manual one, such that: comfort 
driving, fuel economic driving and dynamics driving. One of the problems of a 
AMT is the automated gear shifting. In this paper, the authors develope a 
gearshift mechanism model, simulate the processe of gear shifting and research 
influence of the fork force on the gear shifting time. 
Keywords: Automated manual transmission, synchronizer mechanism, 
modelling, simulation. 
Trường Đại học Giao thông Vận tải 
*Email: vannhu.tran@utc.edu.vn 
Ngày nhận bài: 20/2/2019 
Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 03/4/2019 
Ngày chấp nhận đăng: 25/4/2019 
1. TỔNG QUAN 
Hệ thống truyền lực tự động AMT (Automated Manual 
Transmission) là một loại hệ thống truyền lực cơ khí có cấp. 
Nó được phát triển trên hộp số cơ khí truyền thống và tích 
hợp thêm bộ phận điều khiển quá trình gài số và đống mở 
ly hợp trong quá trình truyền số. Chính vì tích hợp thêm bộ 
phận điều khiển điện tử quá trình chuyển số, hệ thống 
truyền lực AMT sử dụng được ưu điểm của hệ thống truyền 
lực có cấp truyền thống và hệ thỗng truyền lực tự động 
như: chuyển số êm dịu, tiết kiệm nhiên liệu và có tính năng 
động lực tốt. Các chủ đề nghiên cứu được quan tâm nhiều 
trên hệ thống truyền lực AMT là: nghiên cứu điều khiển 
đóng ly hợp để giảm thời gian chuyển số đồng thời tăng độ 
êm dịu khi chuyển số; nghiên cứu chiến lược chuyển số để 
giảm tiêu hao nhiên liệu và tăng tính năng động lực học; 
nghiên cứu điều khiển gài số. Trong bài báo này, các tác giả 
xây dựng mô hình bộ phận chấp hành gài số, mô phỏng 
điều khiển gài số và khảo sát ảnh hưởng của lực gài đến 
thời gian gài số. 
2. MÔ HÌNH BỘ ĐỒNG TỐC 
Kết cấu của bộ đồng tốc thể hiện trên hình 1, gồm các 
phần chính: 1) bánh răng gà; 2) vành răng bánh răng; 3) 
moay ơ trục hộp số; 4,5) vòng bạc; 6) vòng đồng tốc; 7) 
moay ơ đồng tốc; 8) ống gài; 9) bộ phận khóa hãm. 
Hình 1. Bộ đồng tốc 
1. Bánh răng gài; 2. Vành răng bánh răng; 3. Moay ơ trục hộp số; 4,5. Vòng 
bạc; 6. Vòng đồng tốc; 7. Moay ơ đồng tốc; 8. Ống gài; 9. Bộ phận khóa hãm 
Quá trình gài số có thể chia thành 8 pha: 
- Pha 1: Ống gài di chuyển dọc trục từ vị trí trung gian vê ̀ 
phía bánh răng gài làm cho mặt chốt 9 tiếp xúc với mặt 
vành đồng tốc. 
- Pha 2: Lực ở chốt tăng lên tạo ra mô men ma sát làm ra 
quay vòng đồng tốc trong giới hạn của hốc trên ống gài 8. 
Mặt vát tiếp xúc của vành đồng tốc tiếp xúc với vành bánh 
răng tạo ra mô men ma sát lớn làm bánh răng bắt đầu 
đồng tốc với vành đồng tốc của ống gài. 
- Pha 3: Pha đồng tốc, pha này kết thúc khi bánh răng, 
vành đồng tốc và ống gài có cùng vận tốc góc. 
- Pha 4: Vành đồng tốc xoay: vành đồng tốc bị nóng do 
ma sát, khi giảm nhiệt sẽ trở nên bị kẹt trên phần hình nón 
 CÔNG NGHỆ 
 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ● Số 51.2019 68
KHOA HỌC
ở vành bánh răng do giảm đường kính. Dịch chuyển của 
ống gài làm quay vành đồng tốc và vành răng bánh răng. 
- Pha 5: Ống gài tiếp tục dịch chuyển dọc trục cho đến 
khi răng vát của ống gài tiếp xúc với răng vát của vành răng 
bánh răng. 
- Pha 6: Lực gài tiếp tục tăng để đảm bảo duy trì dịch 
chuyển dọc trục của ống gài. Quá trình này dừng lại 
khi thành phần lực tiếp tuyến trên cạnh vát đủ lớn để quay 
vòng đồng tốc bị kẹt trong phần hình nón của vành 
bánh răng. 
- Pha 7: Lực dọc trục cần thiết để quay bánh răng phụ 
thuộc vào vị trí tương đối của răng trên ống gài và răng 
trên vành răng bánh răng. 
- Pha 8: Vành răng trên ống gài đã gài hết chiều dài răng 
trên vành răng bánh răng định vị bộ đồng tốc ở vị trí gài số. 
Kết thúc quá trình gài số. 
2.1. Các giả thiết xây dụng mô hình 
Để đơn giản hóa việc xây dựng mô hình, ta đưa ra các 
giả thiết sau: 
- Giữa các bề mặt côn và răng, vành răng bánh răng và 
vành đồng tốc có dầu bôi trơn và tương tác với nhau trong 
tất cả các pha của quá trình. Tuy nhiên, lực sinh ra phụ 
thuộc vào mỗi pha khác nhau. 
- Vòng đồng tốc 2 (bên phải) quay giới hạn trong rãnh 
khóa trên ống gài. Do đó có thể xem xét nó quay theo rãnh 
khóa gài. 
- Cụm khóa gài (lò xo, bi và ống dẫn hướng) được xem 
như là một khối lượng, như vậy phương trình xây dựng có 
thể sử dụng cho các loại khóa gài khác nhau. 
- Bỏ qua các lực ma sát do sự tếp xúc gữa răng của 
moay ơ và ống gà. Nhưng lực ma sát do sự chuyển động 
tương đố gữa mặt bộ phận khóa hãm và vấu của vòng 
đồng tốc được kể đến vì nó phụ thuộc vào lực dọc trục tác 
dụng lên ống gài. 
- Nhệt độ và độ nhớt của dầu được xem là không đổi 
trong toàn bộ quá trình. 
- Vòng đồng tốc là một thân cứng, nó biến dạng do quá 
trình dãn nở nhiệt. Ta giả thiết coi như không thay đổi. 
- Bỏ qua ảnh hưởng của sai số giữa góc nghiêng vòng 
đồng tốc và góc nghiêng của vành răng bánh răng. 
2.2. Mô hình toán 
Mô hình có 8 bậc tự do bao gồm: vận tốc góc của bánh 
răng ωg, của vành đồng tốc ωsr và của ống gài ωsl và vận tốc 
góc của khóa gài ωsd; dịch chuyển dọc trục của ống gài xsl, 
của vành đồng tốc xsr và của khóa gài xsd; dịch chuyển theo 
phương hướng kính của khóa gài ysd. Sự tương tác giữa các 
phần tử của bộ đồng tốc được mô hình hóa tương ứng với 
8 pha như sau: 
Pha 1: Pha này kết thúc khi bộ phận khóa hãm dịch 
chuyển hết khoảng cách cần thiết để tiếp xúc với vòng đồng 
tốc. Các biến trạng thái của hệ: , ,g sr sl sdω ω ω ω , ,sl sdx x
srx 0 và ysd. Các phương trình chuyển động như sau: 
1g 1 Jω T (1) 
 sl f sl sl slx F N sin μ cos m   (2) 
 sl 3 sr sl sd 5ω T J J J J (3) 
 sd sl sl p sdx N sin μ cos / n m   (4) 
 sd s sl sdy F μ sin cos m   (5) 
Trong đó: Ff - lực dọc trục tác dụng lên ống gài; Nsl - lực 
pháp tuyến tác dụng lên mặt nghiêng rãnh khóa; T1 - mô 
men ma sát trên mặt công vành răng bánh răng; J1 - mô 
men quán tính khối của bánh răng; msl - khối lượng của ống 
gài; φsl - góc nghiêng của mặt nghiêng rãnh khóa; μsl - hệ số 
ma sát; T3 - mô men ma sát trên ống gài; Jsr, Jsl, Jsd, J5 tương 
ứng là mô men quán tính khối của vành đồng tốc, của ống 
gài, của khóa và của trục; np - số lượng khóa gài; msd - khối 
lượng khóa gài; Fs - lực lò xo của khóa gài. Trong bài báo 
này giả thiết lực lò xo là hằng số. 
Trong giai đoạn đầu của pha này, khi lò xo khóa chưa bị 
nén, khi đó xsl = xsd, do đó: 
 sl f psl sdx F m n m (6) 
Pha 2: Trong pha này, các biến trạng thái của hệ: 
, , ,g sr srsd sl sd slω x x x ω ω ω và ysd. Các phương 
trình chuyển động như sau: 
 r r 1
g c 1
3
i s c s g sr 1T
ω T T
1 1 n a b 4πμx R ω 1 ω ω b h J

 (7) 
 sr f c,ax c c c sr psl sdx F N 1 μ cosα sinα m m n m (8) 
 r | |s c h h sd sd sd 2 srω T N R N μ R T J (9) 
 sl f sl sl slx F N sin μ cos m   (10) 
 sd sl p sdspring sly N n mF μ sin cos   (11) 
Trong đó: h1- khoảng cách ban đầu giữa các bề mặt 
nón; hmin - khoảng cách tối thiểu giữa các bề mặt côn khi có 
tính đến độ nhám bề mặt; KCC, KNC - các hệ số hình dạng của 
vòng đồng tốc; Rh - bán kính tiếp xúc giữa moay ơ và vòng 
đồng tốc; Rsd - bán kính tiếp xúc giữa vòng đồng tốc và bộ 
phận khóa; n - số lượng bộ phận khóa. Khi lò xo bị nén, có 
sự chuyển động tương đối giữa bộ phận khóa và ống gài. 
Do đó phương trình chuyển động vòng đồng tốc và khóa 
gài là: 
f fsl sl
sr sr p sd
c,ax c c c
N sin μ cos
x m n m
N 1 μ cosα sinα

 (12) 
 sl sd sd sd h h 3 sl sd 5ω N μ R N R T J J J (13) 
Nếu giữa vòng đồng tốc và khe khóa gài không có quay 
tương đối, các phương trình slω và srω được thay thế bằng 
phương trình sau: 
 r | |s c 2 sr sl sd 5ω T T J J J J (14) 
SCIENCE TECHNOLOGY 
Số 51.2019 ● Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 69
Pha 3: Trong pha này, răng vát của vòng đồng tốc và 
ống gài tiếp xúc và không thay đổi vị trí cho đến khi đạt 
được sự đồng tốc. Do đó không có sự dịch chuyển dọc trục 
của ống gài; vành đồng tốc và khóa gài. Các biến trạng thái 
của pha này: , , ,g sr sl slsr sd slω ω ω y 0x x x    . Các 
phương trình chuyển động như sau: 
 2 2 2g c f c c c c 1 11ω μ F R sinα b sin α 3R T J (15) 
h h
sl
sr
2 2 2
sr c f c c c c
s f sl sl s 2
1 N R
R
J ω μ FR b sin α 3R sinα
1 μ tanβ F N sin μ cos tanβ μ T

 
(16) 
sl s f sl sl
h h 3
s
sl
sl sd 5
R 1 μ tanβ F N sin μ cos
N R T
tanβ μ
ω
J J J

 
(17) 
2 2 2
c f c c c
2
c
sr
sr sl sd 5
μ F R 1 b sin α 3R
T
sinα
ω
J J J J

 (18) 
Pha 4: Các chuyển động của pha này là: 
d .0,, , ,sg sr sl sl sd sdω ω x x ω ω y 
 sl sl sl
1 sr g f sl s s
s s
sd sd sd 1
R sin μ cos
J J ω FR 1 μ tanβ tanβ μ
N 1 μ tanβ tanβ μ
R N μ T

  (19) 
f sl s
sl sl
sr s
F N sin μ cos
x m
N sinβ μ cosβ

 
 (20) 
 sr sl ssl sl sd 5
sd sd sd 3
N R cosβ-μ sinβ
ω J J J
R N μ T

 (21) 
 sl pspringsd sl sdN ny F cos μ sin m   (22) 
Pha 5: Các dịch chuyển là: ,,g sr sl sd slω ω ω ω x 
,sd sl0 0x y  . Phương trình mô tả chuyển động: 
 sl f sl sl sr s slx F N μ N μ m (23) 
 3 1 5sl sr sl sdω T J J J J J (24) 
Pha 6: Các bậc tự do được xét đến trong pha này là: 
, ,, , sd slg sr sl sd sl 0 0x yω ω ω ω x   . 
 g g sl g c c c 1 1ω N R cosβ μ sinβ N R μ T J (25) 
 g sl gsl sr sl sd 5
c c c 3
N R μ sinβ cosβ
ω J J J J
N R μ T

 (26) 
f g g
sl sl
sr s sl sl
F N sinβ μ cosβ
x m
N μ cosγ sinγ N μ

 (27) 
Trong đó: Ns - lực tiếp xúc pháp tuyến giữa các vát răng 
của vành răng bánh răng và ống gài; γ - góc vát thứ hai của 
răng ống gài; μs - hệ số ma sát của góc vát thứ 2 của răng 
ống gài. 
Pha 7: Các bậc tự do trong pha này: , ,g sr sl sdω ω ω ω 
, , ,srsl sd sd0 x 0 y 0x x   . 
1 g sl f g g
sl sr s sl sl g g c c c 1
J R F 1 tan tan
R N N 1 tan tan N R T
ω μ β β μ
μ μ μ β β μ μ
(28) 
 sl sl f sl sl sr s g gm x F N μ N μ N sinβ μ cosβ (29) 
 g sl gsl sr sl sd 5
c c c 3
N R μ sinβ cosβ
ω J J J J
N R μ T

(30) 
Pha 8: Các bậc tự do: ,,g sr sl sd slω ω ω ω x 
, ,sr sd sd0 x 0 y 0x   . Các phương trình chuyển động: 
 sl f g g sr s sl sl slx F N μ cosγ sinγ N μ N μ m (31) 
 sl 3 1 sr sl sd 5ω T J J J J J (32) 
3. MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN GÀI SỐ 
Thực hiện mô phỏng với lực tác dụng lên càng gài số Ff 
tăng tuyến tính với tốc độ 450N/s thể hiện trên hình 2. Đồ 
thị vận tốc góc của bánh răng, ống gài, vành đồng tốc và 
khóa gài tương ứng thể hiện trên hình 3, 4 và 5. Tại thời 
điểm ban đầu bánh răng quay với vận tốc 27000o/s, trục và 
đồng tốc quay với tốc độ 22800o/s. Sau thời gian 0,27giây 
đồng tốc gài bánh răng với trục và chúng quay với tốc độ 
23450o/s. Trên hình 6 thể hiện vận tốc trượt giữa bánh răng 
vành đồng tốc. Hình 7, 8 và 9 tương ứng thể hiện dịch 
chuyển dọc trục của ống gài, khóa gài và vành đồng tốc. Ở 
giai đoạn đầu, ống gài và trục gài dịch chuyển khoảng 
1mm trong khi đó vành đồng tốc chưa dịch chuyển, ở vị trí 
cách khoảng 17mm so với ống gài. Ở giai đoạn 2, ống gài 
đẩy khóa gài tì vào vành và cùng dịch chuyển khoảng 5mm 
cho đến khi mặt công vành đồng tốc tiếp xúc với mặt công 
của bánh răng. Trong giai đoạn 3 là giai đoạn đồng tốc, 
dịch chuyển của ống gài, khóa gài và vành đồng tốc bị 
chặn lại bởi mặt côn bánh răng. Mô men ma sát giữa vành 
đồng tốc và mặt côn của bánh răng làm cho tốc độ quay 
của bánh răng đồng tốc với vành đồng tốc. 
Hình 2. Lực tác dụng lên càng gài số 
 CÔNG NGHỆ 
 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ● Số 51.2019 70
KHOA HỌC
Hình 3. Vận tốc góc bánh răng 
Hình 4. Vận tốc góc ống gài 
Hình 5. Vận tốc góc vành đồng tốc 
Hình 6. Vận tốc góc trượt 
Hình 7. Dịch chuyển dọc trục của ống gài 
Hình 8. Dịch chuyển dọc trục của khóa gài 
Hình 9. Dịch chuyển dọc trục của vành đồng tốc 
Cường độ tăng lực gài có ảnh hưởng đến thời gian gài 
số. Để xem xét sự ảnh hưởng này, giả thiết sự tăng lực gài là 
tuyến tính và thực hiện khảo sát cường độ tăng lực gài k 
đến thời gian gài số tsyn. Cường độ lực gài tăng từ 180N/s 
đến 1800N/s, kết quả khảo sát thể hiện trên hình 10. Khi 
tăng cường độ gài thì thời gian gài giảm, sự giảm này đáng 
kể khi tăng cường độ gài từ 180N/s lên 500N/s. Tuy nhiên 
khi tăng tiếp thì sự giảm thời gian gài là không đáng kể. Khi 
thiết kế điều khiển gài số, lực già được lựa chọn phù hợp 
đảm bảo thời gian gài nhanh và giảm lực tác động lên cơ 
cấu gài số. 
SCIENCE TECHNOLOGY 
Số 51.2019 ● Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 71
Hình 10. Ảnh hưởng của cường độ lực gài k đến thời gian gài tsyn 
4. KẾT LUẬN 
Bài báo đã xây dựng mô hình cơ cấu gài số với 8 pha 
tương ứng với 8 mô hình con. Trên mô hình xây dựng thực 
hiện mô phỏng thể hiện các đại lượng động lực học cơ cấu 
gài số quá trình gài số như tốc độ góc của bánh răng, vành 
đồng tốc, khóa gài và ống gài. Mô phỏng dịch chuyển dọc 
trục của ống gài, khóa gài và vánh đồng tốc. Các kết quả mô 
phỏng cho ta thấy đáp ứng động lực học của cơ cấu gài số 
và thời gian gài số với lực gài thay đổi. Các tác giả cũng đã 
khảo sát ảnh hưởng của cường độ tăng lực gài đến thời gian 
gài số. Kết quả khảo sát cho thấy, nếu tăng cường độ lực gài 
thì thời gian gài gảm. Sự giảm này theo đường phi tuyến, ở 
giai đoạn đầu sự giảm này là đáng kể và bão hòa khi cường 
độ lực gài lớn. Kết quả khảo sát cho phép lựa chọn cường độ 
tăng lực gài khi thiết kế bộ điều khiển gài số. 
LỜI CẢM ƠN 
Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu trong nội dung đề 
tài NCKH cấp trường mã số T2018-01 được Trường Đại học 
Giao thông Vận tải cấp kinh phí thực hiện. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. C.-Y. Tseng and C.-H. Yu, 2015. Advanced shifting control of synchronizer 
mechanisms for clutchless automatic manual transmission in an electric vehicle. 
Mechanism and Machine Theory, vol. 84, pp. 37–56. 
[2]. N. R. Junnarkar, 2017. Development of Synchronizer Operation for 
integration in AMT Control Strategy. IOSR Journal of Mechanical and Civil 
Engineering, vol. 17, no. 10, pp. 40–45. 
[3]. R. Zanasi, G. Sandoni, and A. Visconti. Dynamic model and control of a 
gearbox system. p. 10. 
[4]. P. D. Walker and N. Zhang, 2012. Engagement and control of 
synchroniser mechanisms in dual clutch transmissions. Mechanical Systems and 
Signal Processing, vol. 26, pp. 320–332 
[5]. D. D. Ngo, 2012. Gear shift strategies for automotive transmissions. 
Technische Universiteit Eindhoven. 
[6]. B. Gao, X. Lu, J. Li, and H. Chen, 2011. Model Predictive Control of Gear 
Shift Process in AMT Trucks. in Volume 8: 11th International Power Transmission 
and Gearing Conference; 13th International Conference on Advanced Vehicle and 
Tire Technologies, Washington, DC, USA, pp. 691–697. 
[7]. M. Jiang, J. Zhou, W. Chen, Y. Zhang, and L. Chen, 2011. Modeling and 
Simulation of AMT with Mworks. presented at the The 8th International Modelica 
Conference, Technical Univeristy, Dresden, Germany, pp. 829–836. 
[8]. H. Huang, S. Nowoisky, R. Knoblich, and C. Gühmann, 2012. Modeling 
and Testing of the Hydro-Mechanical Synchronization System for a Double Clutch 
Transmission. presented at the 9th International MODELICA Conference, Munich, 
Germany, pp. 287–294. 
[9]. M. Irfan. Modelling and optimization of gear shifting mechanism. p. 28. 
[10]. J. Li, X. Feng, M. Jiang, Y. Zhang, and L. Wan, 2017. Modelling and 
simulation of synchronization and engagement for self-energizing synchronizer 
with multibody dynamics. Advances in Mechanical Engineering, vol. 9, no. 3, p. 
168781401769141. 
[11]. L. Lovas, D. Play, J. Márialigeti, and J.-F. Rigal. Modelling of gear 
changing behaviour. p. 24. 
[12]. M. Irfan, V. Berbyuk, and H. Johansson. Modelling of Heavy Vehicle 
Transmission Synchronizer using Constrained Lagrangian Formalism. p. 12. 
[13]. V. D. Ngo, J. A. Colin Navarrete, T. Hofman, M. Steinbuch, and A. 
Serrarens, 2013. Optimal gear shift strategies for fuel economy and driveability. 
Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of 
Automobile Engineering, vol. 227, no. 10, pp. 1398–1413. 
[14]. B. Gao, H. Chen, Q. Liu, and H. Chu, 2014. Position Control of Electric 
Clutch Actuator Using a Triple-Step Nonlinear Method. IEEE Transactions on 
Industrial Electronics, vol. 61, no. 12, pp. 6995–7003. 
[15]. Synchronization methods of automated gearboxes for electric driven 
light commercial vehicles (LCV). p. 25, 2013. 
[16]. A. P. Bedmar. Synchronization processes and synchronizer mechanisms 
in manual transmissions. p. 70. 
AUTHORS INFORMATION 
Tran Van Nhu*, Ta Thi Thanh Huyen 
University of Transport and communications