Giảng viên hướng dẫn Lê Minh Xuân Sinh viên thực hiện Lê Quang Thắng +Nguyễn Ngọc Giang +Hồ Ngọc Tuấn Anh +Lê Trương Ân +Lê Quốc Toàn +Lê Quang Duy +Lê Quang Hiếu Lớp AE18A1B TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÔNG Á KHOA CÔNG NGHỆ KĨ THUẬT ÔTÔ Đà Nẵng, 19 tháng 9 năm 2021 Chuyên đề hộp số tự động và phanh ABS Mục Lục CHƯƠNG 1 HỘP SỐ TỰ ĐỘNG 3 Giới thiệu 3 KHÁI QUÁT VỀ HỘP SỐ TỰ ĐỘNG 3 1 1 NHIỆM VỤ, YÊU CẦU CỦA HỘP SỐ TỰ ĐỘNG 3 1 2 CẤU TẠO 4 1 3 1 Cấu tạo chung của hộp số tự động 4 1 3 2 Phân loại hộp số tự động.
HỘP SỐ TỰ ĐỘNG
NHIỆM VỤ, YÊU CẦU CỦA HỘP SỐ TỰ ĐỘNG
Hộp số trên ô tô được dùng để thay đổi lực kéo tiếp tuyến ở bánh xe chủ động sao cho phù hợp với lực cản tổng cộng của đường, từ đó tối ưu hóa khả năng tăng tốc, khả năng thích nghi với địa hình và hiệu suất động cơ Đặc tính kéo của ô tô có hộp số phụ thuộc vào cơ cấu truyền động và tỷ lệ truyền, thể hiện mức độ lực kéo mà động cơ có thể truyền tới bánh xe để vượt qua các lực cản khi xe chuyển động Đặc tính kéo này thường được trình bày trong hình minh họa phía sau để dễ hiểu cách hộp số điều chỉnh lực kéo theo từng cấp số.
Đồ thị Hình 1.1 trình bày đặc tính kéo của ôtô được lắp hộp số cơ khí bốn cấp Mỗi cấp số cung cấp một đường đặc tính thể hiện mối quan hệ giữa lực kéo tiếp tuyến tại bánh xe chủ động và tốc độ của xe Theo các đặc tính này, ngay cả khi người lái chọn điểm làm việc ở từng cấp sao cho phù hợp với lực cản chuyển động, kết quả vẫn chưa tối ưu Điểm làm việc được xem là tối ưu khi nó nằm trên đường cong A, là đường tiếp tuyến với tất cả các đường đặc tính của hộp số cơ khí bốn cấp; đường cong này được gọi là đường đặc tính lý tưởng.
CẤU TẠO
Trong ô tô, hộp số tự động chưa hoàn toàn trùng với đường đặc tính kéo lý tưởng nhưng vẫn cho ra đường đặc tính gần với đường lý tưởng Việc gài các số truyền được thực hiện tự động dựa trên chế độ của động cơ và sức cản của mặt đường, giúp hệ truyền động luôn hoạt động ở một điểm làm việc trên đường đặc tính phù hợp với lực cản chuyển động Nhờ đó hộp số tự động đảm bảo chất lượng động lực học và tối ưu hóa tiết kiệm nhiên liệu cho xe.
CẤU TẠO 1.3.1 Cấu tạo chung của hộp số tự động
Hộp số tự động dùng trên ô tô gồm ba bộ phận chính là biến mô men thuỷ lực, hộp số hành tinh và cụm điều khiển thuỷ lực hoặc điều khiển điện tử; ngoài ba bộ phận này, hệ thống còn có thể có vi sai giữa các bánh đối với xe có động cơ đặt phía trước và cầu trước chủ động, hoặc vi sai giữa các cầu đối với ô tô có hai cầu chủ động, nhằm tối ưu phân phối mô-men và lực kéo giữa các bánh.
Biến mô-men là bộ phận dùng để truyền mô-men từ động cơ qua hộp số hành tinh, đồng thời đóng vai trò như một li hợp thuỷ lực và có khả năng tăng mô-men truyền từ động cơ sang hộp số Nó cũng đóng vai trò như một bánh đà của động cơ và có khả năng dập tắt được dao động xoắn từ động cơ Biến mô-men gồm ba thành phần chính: bánh bơm (Impeller) được dẫn động từ trục khuỷu động cơ, bánh tua-bin (Turbine) nối với trục sơ cấp từ hộp số và bánh Stator được bắt chặt vào vỏ hộp số qua khớp một chiều và trục Stator Biến mô-men được đổ đầy dầu thuỷ lực cung cấp bởi bơm dầu.
Hình 1.2 Cấu tạo của hộp số tự động
Hình 1.3 Cấu tạo biến mô men
Hộp số hành tinh được cấu thành từ các cơ cấu hành tinh, phanh, ly hợp, khớp một chiều và trục truyền mô-men, có nhiệm vụ thay đổi tỉ số truyền động từ tín hiệu điều khiển từ cụm điều khiển Nhờ sự kết hợp của các thành phần này, hộp số hành tinh có thể điều chỉnh nhanh chóng và chính xác số truyền để phù hợp với tải trọng và điều kiện làm việc, tối ưu hóa hiệu suất truyền động và đáp ứng tín hiệu điều khiển một cách ổn định.
Hình 1 4 Bộ truyền hành tinh
Trong hộp số tự động, việc sang số và khoá biến mô men, cũng như khoá trục truyền, được thực hiện tự động nhờ bộ phận điều khiển hộp số Nhờ hệ thống điều khiển này, quá trình chuyển số diễn ra mượt mà, tối ưu hiệu suất và bảo vệ các thành phần truyền động Trên ô tô, có hai loại điều khiển hộp số tự động phổ biến, được phân loại dựa trên nguyên lý vận hành và công nghệ ứng dụng.
Loại điều khiển thủy lực trong ô tô là hệ thống sử dụng các van thủy lực được tác động bởi các tín hiệu đầu vào như vị trí cần số, vị trí bướm ga và tốc độ của xe để điều khiển hộp số tự động một cách hiệu quả.
Loại điều khiển điện tử bao gồm các cảm biến tín hiệu đầu vào, bộ điều khiển trung tâm, các bộ điều khiển liên hợp điện từ thuỷ lực và cụm báo lỗi trạng thái Bộ điều khiển trung tâm nhận tín hiệu từ các cảm biến, thực hiện tính toán để đưa ra tín hiệu điều khiển thích hợp và đồng thời ghi lại các sự cố nhằm dự báo hư hỏng có thể xảy ra trong hộp số.
1.3.2 Phân loại hộp số tự động
Thông thường hộp số tự động có thể chia làm hai loại:
Loại hộp số sử dụng trên ô tô FF (động cơ đặt trước, cầu trước chủ động).
Loại hộp số sử dụng trên ô tô FR (động cơ đặt trước, cầu sau chủ động).
Trong ôtô FF, hộp số được thiết kế nhẹ hơn so với loại dùng trên ôtô FR Nguyên nhân là chúng được lắp đặt đồng bộ với khối động cơ, giúp giảm trọng lượng tổng thể và tối ưu hóa không gian bên trong khoang máy.
Các hộp số tự động dùng cho ôtô FR có bộ truyền động bánh răng cuối cùng với vi sai lắp ở bên ngoài, trong khi các hộp số dành cho ôtô FF có bộ truyền bánh răng cuối cùng và vi sai lắp ở bên trong; vì vậy loại hộp số tự động sử dụng trên ôtô FF còn được gọi là "hộp số có vi sai" Hai loại hộp số tự động nói trên được thể hiện như sau.
Hình 1.5 Hai kiểu hộp số FF và FR lắp trên ô tô
Phân loại dựa vào cách điều khiển hộp số tự động người ta phân chia thành hai loại:
Hộp số tự động điều khiển hoàn toàn bằng thuỷ lực
Hộp số tự động điều khiển điện tử.
Hộp số tự động điều khiển thuỷ lực hoạt động dựa trên hệ thống van thuỷ lực để thực hiện việc chuyển số, mang lại khả năng tự động hóa trong các dải làm việc đã được lập trình Tuy nhiên, nhược điểm của hệ thống là sự tự động hóa chưa hoàn toàn, khi nó chỉ tự động chuyển số trong từng dải làm việc tương ứng với vị trí tay số trên cần điều khiển Kết cấu của hệ thống điều khiển thuỷ lực khá cồng kềnh và phức tạp, dẫn đến chi phí lắp đặt và bảo trì cao hơn so với một số giải pháp hộp số khác.
Điều khiển điện tử là hệ thống điều khiển số dựa trên tín hiệu từ các cảm biến được máy tính trung tâm xử lý, từ đó tính toán và đưa ra kết quả tối ưu để điều khiển chuyển số và khóa biến mô men Hệ thống này còn tích hợp chức năng chẩn đoán và dự phòng ngoài các chức năng điều khiển số và khóa biến mô men.
1.3.3 Ưu nhược điểm của hộp số tự động Ưu điểm:
So với hộp số cơ khí thông thường thì hộp số tự động có những tính năng vượt trội sau đây:
Chuyển số liên tục không cần cắt dòng lực từ động cơ:
Việc biến mô-men truyền từ nguồn động lực thông qua động năng của dầu thủy lực cho phép truyền động êm ái, không gây tải trọng động Hệ truyền động còn tích hợp cơ cấu hành tinh và các cấu trúc li hợp khoá, phanh dải được điều khiển tự động, giúp quá trình chuyển số diễn ra nhẹ nhàng và liên tục.
Độ bền của các chi tiết trong hộp số tự động được tăng lên nhờ sự ngâm dầu liên tục, giúp bôi trơn và làm mát các thành phần một cách hiệu quả Việc truyền động giữa các bánh răng diễn ra êm ái và không tạo tải trọng động, bởi lực truyền được phân bổ qua nhiều cặp bánh răng ăn khớp nên ứng suất trên từng răng rất thấp Cấu hình hành tinh của hộp số cho phép đường kính vòng ăn khớp lớn hơn, tăng khả năng chịu tải và cải thiện hiệu quả truyền động Các bánh răng hành tinh được bố trí đối xứng nhằm triệt tiêu lực hướng trục, từ đó giảm rung động và tiếng ồn khi vận hành.
Hiệu suất làm việc cao được đạt khi các dòng năng lượng có thể vận hành song song với nhau, giúp luồng năng lượng được phân bổ đồng đều và giảm thiểu ma sát gây tiêu hao Ma sát là nguyên nhân chủ yếu khiến năng lượng bị mất đi, phần lớn do chuyển động tương đối giữa các bề mặt hoặc thành phần trong hệ thống Vì vậy, tối ưu hóa sự đồng bộ giữa các bộ phận và giảm chuyển động tương đối sẽ cải thiện hiệu suất, và tiêu hao do ma sát ít bị ảnh hưởng bởi hướng chuyển động của hệ thống.
Cho tỉ số truyền cao nhưng kích thước lại không lớn:
Cấu trúc của cơ cấu hành tinh gồm bánh răng mặt trời ở trung tâm và các bánh răng hành tinh nằm gọn bên trong vòng bao, giúp bộ truyền hành tinh có kích thước rất nhỏ gọn nhưng vẫn đạt tỉ số truyền lớn Bên cạnh đó, biến mô-men thủy lực có thể làm cho mô-men từ động cơ tăng lên đến 2,5 lần, mang lại hiệu suất truyền động và khả năng tối ưu hóa lực kéo của hệ truyền động hành tinh.
SƠ ĐỒ CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỘP SỐ
Mục tiêu: Hiểu được được cấu tạo và nguyên lý làm việc của hộp số tự động
Hộp số tự động điều khiển thuỷ lực của hãng TOYOTA bao gồm một số bộ phận chính sau
- Bộ biến mô thuỷ lực
- Bộ điều khiển thuỷ lực
- Bộ truyền động bánh răng cuối cùng
- Dầu hộp số tự động.
2.1 Bộ biến mô men thuỷ lực
Bộ biến mô men thủy lực trong hộp số tự động nhằm thực hiện các chức năng sau:
- Tăng mômen do động cơ tạo ra;
- Đóng vai trò như một ly hợp thuỷ lực để truyền (hay không truyền) mô men từ động cơ đến hộp số;
- Hấp thụ các dao động xoắn của động cơ và hệ thống truyền lực;
- Có tác dụng như một bánh đà để làm đồng đều chuyển động quay của động cơ
- Dẫn động bơm dầu của hệ thống điều khiển thuỷ lực.
Hình 2.1 Cấu tạo hộp số tự động của hãng TOYOTA 2.1.1 Cấu tạo của biến mô men thuỷ lực
Về cấu tạo, biến mô bao gồm: bánh bơm, bánh tuabin, stato, khớp một chiều và ly hợp khoá biến mô.
Hình 2.2 Bộ biến mô men thuỷ lực a Bánh bơm
Vỏ biến mô Vỏ biến mô
Bánh bơm được gắn liền với vỏ biến mô Bánh bơm có rất nhiều cánh có biên dạng cong được bố trí theo hướng kính ở bên trong Vành dẫn hướng được bố trí trên cạnh trong của cánh bơm để dẫn hướng cho dòng chảy của dầu Vỏ biến mô được nối với trục khuỷu của động cơ qua tấm dẫn động Dưới đây là sơ đồ cấu tạo và vị trí của bánh bơm trong bộ biến mô men thuỷ lực:
Hình 2.3 Bánh bơm b Bánh tua bin
Cũng như bánh bơm, bánh tua bin có rất nhiều cánh dẫn được bố trí bên trong bánh tua bin Hướng cong của các cánh dẫn này ngược chiều với cánh dẫn trên bánh bơm Rô to tua bin được lắp với trục sơ cấp của hộp số Cấu tạo và vị trí làm việc của rôto tua bin như hình sau:
Hình 2.4 Bánh tuabin c Stator và khớp một chiều.
Stator được đặt giữa bánh bơm và bánh tua bin, lắp trên trục stato và cố định vào vỏ hộp số thông qua khớp một chiều Các cánh dẫn của stato nhận dầu khi nó đi ra khỏi rôto tua bin và hướng dầu tới mặt sau của các cánh dẫn trên cánh bơm, từ đó làm cho cánh bơm được cường hoá.
Khớp một chiều cho phép stato quay cùng chiều với trục khuỷu của động cơ Tuy nhiên, nếu stato có xu hướng quay ngược lại, khớp một chiều sẽ khóa stato lại và ngăn không cho nó quay Việc stato quay hay bị khóa phụ thuộc vào hướng của dòng dầu đập vào các cánh dẫn của nó Sơ đồ cấu tạo của stato và khớp một chiều được thể hiện trên hình sau.
Hình 2.5 Stator và khớp một chiều 2.1.2 Nguyên lý làm việc của biến mô a Nguyên lý truyền công suất.
Chúng ta liên hệ sự làm việc của biến mô-men xoắn với sự tương tác giữa hai quạt gió Quạt chủ động được cấp nguồn điện, cánh của nó đẩy luồng không khí sang quạt bị động đặt đối diện Quạt bị động không nối nguồn điện sẽ quay cùng chiều với quạt chủ động nhờ áp lực từ luồng khí do quạt chủ động tạo ra.
Hình 2.6 Nguyên lý truyền năng lượng qua cánh quạt gió
Trong biến mô men, nguyên lý hoạt động diễn ra tương tự ly hợp thủy lực nhưng thực hiện qua chất lỏng Khi bánh bơm được dẫn động quay bởi trục khuỷu động cơ, dầu trong bơm quay cùng bánh và khi tốc độ bánh bơm tăng lên, lực ly tâm khiến dầu văng ra và chảy dọc theo các bề mặt của các cánh dẫn Tới một mức tốc độ nữa, dầu bị đẩy khỏi bánh bơm va vào các cánh dẫn của rôto tua bin làm cho rôto quay cùng hướng với bánh bơm Sau khi dầu mất năng lượng do va đập, nó tiếp tục chảy dọc theo màng cánh dẫn của tua bin từ ngoài vào trong rồi quay trở lại bánh bơm, bắt đầu một chu kỳ mới Nguyên lý này tương tự với ly hợp thủy lực.
Sơ đồ thể hiện nguyên lý truyền công suất từ bánh bơm sang bánh tua bin được thể hiện trên hình sau:
Hình 2.7 Nguyên lý truyền công suất của biến mô men
*Nguyên lý khuyếch đại mômen
Hình 2.8 Nguyên lý khuyếch đại mô men
Việc khuyếch đại mô men bằng biến mô được thực hiện bằng cách trong cấu tạo của biến mô ngoài cánh bơm và rô to tuabin cũng có stato.
Với cấu tạo và cách bố trí của các bánh công tác trong hệ thủy lực này, dòng dầu thủy lực sau khi ra khỏi rôto tua bin sẽ đi qua các cánh dẫn của stato Góc nghiêng của cánh dẫn stato được thiết kế để dòng dầu thoát khỏi cánh dẫn stator có hướng trùng với hướng quay của cánh bơm, từ đó cánh bơm vừa nhận mô-men truyền từ động cơ vừa được bổ sung thêm mô-men từ chất lỏng của stato Nhờ sự tương tác này, cánh bơm được cường hóa và có khả năng khuyếch đại mô-men đầu vào nhằm truyền tới rôto tua bin.
Chức năng của khớp một chiều Stator.
Khi tốc độ của bánh bơm lớn hơn tốc độ của bánh tua-bin, dòng dầu sau khi ra khỏi tua-bin đi qua cánh dẫn của stato sẽ tác động lên stato và sinh ra một mô-men làm stato quay ngược với hướng quay của bánh bơm Để dòng dầu sau khi qua cánh dẫn stato tác dụng lên cánh dẫn của bánh bơm theo đúng chiều quay của bánh bơm, stato phải được cố định bằng cơ chế khóa một chiều Việc cố định stato giúp duy trì hướng dòng dầu và lực tác động lên cánh dẫn của bánh bơm, từ đó cải thiện hiệu suất truyền động, ổn định vận hành và tối ưu hóa hiệu quả của hệ thống.
Hình 2.9 Hướng dòng dầu thay đổi khi khớp một chiều khóa
Khi tốc độ quay của rôto tua bin gần bằng tốc độ quay của bánh bơm, lực tác dụng của dầu sau khi ra khỏi rôto tua bin sẽ tác động lên cánh dẫn của stato khiến stato quay theo hướng quay của bánh bơm Nếu stato vẫn ở trạng thái cố định thì không những không tăng cường cho bánh bơm mà còn cản trở sự chuyển động của dung dịch, gây tổn thất năng lượng Vì vậy ở chế độ này stato được giải phóng để quay cùng với rôto tua bin và bánh bơm (khớp một chiều mở) Khi đó biến mô hoạt động như một ly hợp thuỷ lực nhằm tăng hiệu suất cho biến mô.
Hình 2.10 Khớp một chiều quay tự do
*Cơ cấu khóa biến mô men thuỷ lực.
Khi ô tô di chuyển trên đường bằng phẳng với vận tốc cao, lực cản chuyển động nhỏ khiến số vòng quay của bánh tua-bin gần bằng số vòng quay của bánh bơm; trong biến mô CVT, chế độ ly hợp (stato được giải phóng) cho phép biến mô làm việc nhưng hiệu suất truyền động vẫn ở mức dưới 1, dao động từ 0,8 đến 0,9 Để đạt hiệu suất truyền động tối ưu, ở chế độ này người ta khóa cứng biến mô bằng một ly hợp, nghĩa là đường truyền mô-men từ động cơ tới hộp số được thực hiện trực tiếp qua ly hợp khóa biến mô như truyền qua một ly hợp ma sát bình thường và lúc đó hiệu suất truyền bằng 1.
Kết cấu và nguyên lý của ly hợp khóa biến mô được thể hiện trên hình sau:
Li hợp khóaHình 2.11 Nguyên lý làm việc của li hợp khóa biến mô men
Ly hợp khóa biến mô men được lắp trên moay ơ của rôto tua bin và nằm ở phía trước của rôto tua bin, có lò xo giảm chấn để truyền mô-men một cách êm ái và hạn chế va đập Vật liệu ma sát của ly hợp được chọn tương tự như vật liệu dùng cho phanh và đĩa ly hợp, nhằm đảm bảo độ bền và khả năng ma sát ổn định Khi ly hợp khóa biến mô hoạt động, nó quay đồng thời với cánh bơm và rôto tua bin, tạo liên kết mô-men giữa các thành phần Việc đóng mở ly hợp khóa biến mô được điều khiển bởi hướng dòng dầu thủy lực thay đổi trong biến mô men, từ đó quyết định trạng thái truyền mô-men của hệ thống.
Trạng thái mở ly hợp xảy ra khi ô tô chạy ở vận tốc thấp hoặc chịu mô-men cản lớn, khiến hệ thống biến mô truyền động hoạt động ở chế độ biến mô Nhờ cơ cấu điều khiển thủy lực, dầu có áp suất được dẫn tới phía trước của ly hợp khóa biến mô; vì áp suất ở phía trước và phía sau ly hợp bằng nhau nên ly hợp ở trạng thái mở.
Trạng thái đóng ly hợp xảy ra khi ô tô chạy ở tốc độ cao với mô-men cản nhỏ Lúc này, các van điều khiển thủy lực hoạt động và hướng dòng dầu thủy lực có áp suất tới phần sau của ly hợp Dầu thủy lực đẩy pít-tông ép ly hợp vào vỏ biến mô, khiến biến mô bị khóa và vỏ trước của biến mô quay cùng với cánh bơm và rôto tua-bin.
Nhờ có ly hợp khóa cứng biến mô mà đặc tính của nó được thể hiện trên hình sau:
Hình 2.12 Đặc tính của biến mô men có li hợp khóa
2.2 Hộp số và cụm bánh răng hành tinh
Hộp số và cụm bánh răng hành tinh là một hệ thống cơ khí gồm các bộ phận chính là bộ truyền hành tinh, các phanh hãm, các li hợp khóa và các khớp một chiều; cấu trúc này cho phép thay đổi tỷ số truyền, tối ưu hiệu suất và khả năng chịu tải trong quá trình truyền động, đồng thời cung cấp điều khiển chính xác và an toàn cho hệ thống truyền động.
Hình 2.13 Cấu tạo hộp số
2.2.1 Bộ truyền bánh răng hành tinh
Bộ truyền bánh răng hành tinh trong hộp số tự động có các chức năng sau:
Đề xuất một tập hợp tỉ số truyền cho hệ truyền động nhằm thay đổi mô-men xoắn và tốc độ của bánh xe chủ động, đồng thời phối hợp với sức cản chuyển động của đường và nhu cầu vận hành ở tốc độ mong muốn của ô tô Việc tối ưu các tỉ số truyền giúp bánh xe nhận được mô-men xoắn phù hợp với điều kiện mặt đường, tối ưu hóa lực kéo, tăng khả năng tăng tốc và duy trì tốc độ ở mọi trạng thái tải trọng, đồng thời cải thiện hiệu quả tiêu thụ nhiên liệu và hiệu suất vận hành.
- Đảo chiều quay của trục ra để thực hiện lùi xe;
- Tạo vị trí trung gian cho phép xe dừng lâu dài khi động cơ vẫn hoạt động.
Cấu tạo chung của bộ truyền hành tinh.