thiết kế, chế tạo mô hình giảng dạy hệ thống điện tử điều khiển hộp số tự động

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH GIẢNG DẠY HỆ THỐNG ĐIỆN TỬ ĐIỀU KHIỂN HỘP

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH GIẢNG DẠY

HỆ THỐNG ĐIỆN TỬ ĐIỀU KHIỂN HỘP SỐ TỰ ĐỘNG

MÃ SỐ: T18 - 2008

Tp Hồ Chí Minh, 2008

S 0 9

S KC 0 0 2 1 9 0

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

-\± [ -

ĐỀ TÀI NCKH CẤP TRƯỜNG

Thiết kế, chế tạo mô hình giảng dạy

hệ thống điện tử điều khiển hộp số tự động

MÃ SỐ: T18 - 2008

Thuộc nhóm ngành: KHOA HỌC KỸ THUẬT

Nhóm nghiên cứu: ThS HUỲNH PHƯỚC SƠN (Chủ trì) ĐẶNG VŨ MINH ĐĂNG

Đơn vị: KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

TP HỒ CHÍ MINH – 12/2008

Lời nói đầu

Mục tiêu nghiên cứu, đầu tư và cải tiến các thiết bị dạy học, đổi mới phương pháp dạy và học thực hành, góp phần nâng cao chất lượng đào tạo theo chương trình công nghệ hiện nay, là nhiệm vụ quan trọng của những người làm công tác giảng dạy Nhiều năm qua, khoa Cơ khí Động lực đã có rất nhiều sáng kiến, đề tài về chế tạo đồ dùng và thiết bị dạy học, phục vụ đắc lực cho công tác giảng dạy thực hành ngành công nghệ ôtô tại Khoa và các trường bạn Điều này chứng tỏ đây là một định hướng đúng, phát huy được thế mạnh và vai trò đầu tàu của Khoa và Nhà trường trong hệ thống sư phạm kỹ thuật hiện nay của cả nước

Trên các dòng xe hiện đại, hộp số tự động (Automatic Transmission) ngày càng được sử dụng rộng rãi và là xu hướng phát triển mạnh trong thời gian tới, đặc biệt là thế hệ các hộp số được điều khiển bằng điện tử Nhờ sự điều khiển chính xác của hệ thống này, các chế độ hoạt động của hộp số ngày càng được tối ưu hóa Nhưng đồng thời cấu tạo của hộp số và hệ thống điều khiển cũng càng phức tạp hơn Do đó, nhu cầu học tập và sửa chữa về các hộp số tự động điều khiển bằng điện tử là rất lớn Việc hướng dẫn cho người học nắm vững cấu tạo, hoạt động và các qui trình kiểm tra, sửa chữa hộp số một cách chính xác, khoa học là cần thiết

Với ý nghĩa trên, tập thể cán bộ giảng dạy Bộ môn Khung gầm, khoa Cơ khí

Động lực đã thực hiện đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường MS:T18 -2008

“Thiết kế, chế tạo mô hình giảng dạy hệ thống điện tử điều khiển hộp số tự động”, phục vụ cho công tác giảng dạy thực hành

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 12/ 2008

Chủ nhiệm đề tài

ThS Huỳnh Phước Sơn

MỤC LỤC:

Trang:

PHẦN I: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 3

II Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 3 III Mục tiêu nghiên cứu 3

IV Phạm vi ứng dụng của đề tài 4

V Phương pháp nghiên cứu 4 PHẦN II: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 5

Chương 1: Cấu tạo và hoạt động của ht điện tử điều khiển HSTĐ 5

I Khái quát về hộp số tự động điều khiển điện tử 5

II Hệ thống điều khiển điện tử 7 III Cụm tín hiệu điều khiển 9

IV Hộp điều khiển điện tử (ECU) 14

V Bộ phận chấp hành 18

Chương 2: Thiết kế, chế tạo mô hình ht điện tử điều khiển HSTĐ 22

II Cấu tạo mô hình 22 III Hoạt động của mô hình 28

IV Thực tập trên mô hình 29

Tài liệu tham khảo 33

PHẦN I: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

I ĐẶT VẤN ĐỀ

Hộp số tự động với các ưu điểm nổi bật hơn so với hộp số thường, nên được sử dụng rộng rãi trên các dòng xe hiện nay và là xu hướng phát triển mạnh trong thời gian tới Trải qua các giai đoạn phát triển, các hộp số tự động ngày càng được hoàn thiện về kết cấu và tối ưu hóa trong quá trình điều khiển và hoạt động Các dòng hộp số tự động hiện nay đều được điều khiển bằng điện tử thay cho cách điều khiển hoàn toàn bằng thủy lực trước đây, nhờ vậy hoạt động chuyển số của hộp số càng được êm dịu và chính xác hơn

Đề tài “Thiết kế, chế tạo mô hình giảng dạy hệ thống điện tử điều khiển hộp

số tự động” (MS:T18 -2008) được chọn thực hiện với mong muốn góp phần nâng

cao chất lượng và hiệu quả giảng dạy về hệ thống điều khiển điện tử nói riêng và hộp số tự động nói chung, nhằm trang bị cho người học các kiến thức và kỹ năng

cơ bản về sửa chữa các hộp số tự động thế hệ mới

II TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

Nhờ sự phát triển nhanh về khoa học kỹ thuật, trên thế giới đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về hộp số tự động và đưa vào ứng dụng có hiệu quả, ngày càng cải tiến và tối ưu hóa quá trình điều khiển ôtô Theo đó, nội dung chương trình và công nghệ chế tạo mô hình để phục vụ cho công tác giảng dạy cũng được làm rất tốt Những kết cấu mới, hệ thống mới được đưa ra sử dụng bên ngoài cũng đều được đưa lên mô hình để giảng dạy Nhưng phần lớn các mô hình được giới thiệu ở thị trường Việt Nam cũng chỉ dừng lại ở mô hình dạng cắt bổ hoặc được bố trí chung trên tổng thành ôtô để học về cấu tạo và có giá thành rất cao Trong thời gian qua, việc giảng dạy về hộp số tự động ở nước ta còn gặp nhiều khó khăn, cả về tài liệu lẫn thiết bị như đã nói ở trên Đặc biệt, về mảng thiết bị và mô hình dạy học về hộp số tự động, do giá thành của các thiết bị ngoại nhập quá cao, nhiều trường khó có thể trang bị Do đó, việc nghiên cứu và chế tạo các mô hình dạy học về hộp số tự động để phục vụ cho công tác giảng dạy và nghiên cứu là cấp thiết và cần khuyến khích

III MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Nội dung nghiên cứu của đề tài được thực hiện với các mục tiêu sau :

- Nghiên cứu các vấn đề về cơ sở lý thuyết hệ thống điều khiển điện tử của hộp số tự động

- Thiết kế, thi công mô hình hệ thống điện tử điều khiển hộp số tự động, phục vụ công tác giảng dạy và học tập

Mô hình kết hợp với tài liệu thuyết minh và hướng dẫn các bài tập ứng dụng trên dụng mô hình giúp người học hiểu sâu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động của hộp số tự động và sử dụng mô hình dễ dàng, cũng là một chuyên đề tham khảo bổ ích cho những người làm công tác chuyên môn

IV PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA ĐỀ TÀI:

Sản phẩm của đề tài là mô hình hệ thống điện tử điều khiển hộp số tự động dùng trong giảng dạy thực hành về hộp số tự động tại Bộ môn Khung gầm – Khoa Cơ khí Động lực, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ chí Minh

Ngoài ra, sản phẩm có thể cung cấp cho các trường đại học, cao đẳng, các trung tâm dạy nghề và những cán bộ kỹ thuật, công nhân đang làm việc trong lĩnh vực chuyên ngành ôtô

V PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Với mục tiêu là thiết kế, chế tạo mô hình để phục vụ công tác giảng dạy, nên phương pháp nghiên cứu chính ở đây là phương pháp tham khảo tài liệu kết hợp với phương pháp thực nghiệm, phù hợp với nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài Nghiên cứu các vấn đề về cơ sở lý thuyết là cần thiết và quan trọng, vì đây là

cơ sở để tiến hành công việc thiết kế và chế tạo mô hình Đồng thời, thông qua việc khảo sát và tiến hành một số bài thực tập, thực nghiệm trên mô hình cũng chính là quá trình nghiên cứu để tìm ra bản chất quá trình điều khiển của hệ thống, củng cố và khẳng định lại tính chính xác và giá trị của các vấn đề mà phần

cơ sở lý thuyết đã đề cập đến

[ ‘ \

PHẦN 2: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Chương I: CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN TỬ ĐIỀU KHIỂN HỘP SỐ TỰ ĐỘNG

I KHÁI QUÁT VỀ HỘP SỐ TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ

Hộp số tự động điều khiển điện tử (ECT: Electronic Control Tranmission) là một hộp số tự động sử dụng các công nghệ điều khiển điện tử hiện đại để điều khiển hộp số Cấu tạo của hộp số gồm có 4 cụm bộ phận chính (hình 1):

- Bộ biến mô: truyền mô men xoắn từ động cơ đến trục sơ cấp hộp số;

- Bộ truyền động bánh răng hành tinh: bao gồm các bộ bánh răng hành tinh, các

bộ ly hợp và phanh, có chức năng cung cấp các cấp số có tỉ số truyền khác nhau;

- Hệ thống điều khiển thủy lực: bao gồm bơm dầu và cụm thân van, có chức năng chính là cấp dầu cho bộ biến mô, các bộ ly hợp và phanh để điều khiển hoạt động của bộ biến mô và bộ truyền động bánh răng hành tinh;

- Hệ thống điều khiển điện tử: bao gồm hộp điều khiển (ECU), cụm tín hiệu vào

là các cảm biến và công tắc để nhận biết các tín hiệu chính làm cơ sở điều khiển và

bộ phận chấp hành là các van điện từ

Hình 1: Sơ đồ khối hộp số tự động điều khiển bằng điện tử

Như thế, về cơ bản, cấu tạo và hoạt động của hộp số điều khiển bằng điện tử gần giống như của hộp số điều khiển bằng thủy lực hoàn toàn Chức năng, cấu tạo và hoạt động của bộ biến mô và bộ truyền động bánh răng hành tinh là hoàn toàn giống nhau Ở đây chỉ khác nhau về phương thức điều khiển Đối với hộp số điều khiển hoàn toàn bằng thủy lực thì hệ thống điều khiển thủy lực có chức năng nhận biết các tín hiệu điều khiển như góc mở bướm ga (van bướm ga, thông qua dây cáp, chân không) và tốc độ xe (van ly tâm) để điều khiển chuyển số Còn trong hộp số điều khiển bằng điện tử, chức năng nhận biết các tín hiệu điều khiển như góc mở bướm

ga, tốc độ xe,… thuộc về hệ thống điện tử Các cảm biến, công tắc có nhiệm vụ nhận biết các tín hiệu điều khiển và gửi về hộp ECU Hộp ECU xử lý và đưa ra các tín hiệu điều khiển đến các van điện từ điều khiển áp suất mạch dầu chính, van điện

từ chuyển số và van điện từ khóa biến mô Các van điện từ này phối hợp điều khiển các van trong hệ thống thủy lực cấp dầu cho bộ biến mô và bộ truyền động bánh răng hoạt động (hình 2)

Hình 2: Sơ đồ hệ thống điều khiển thủy lực

II HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ

Hệ thống điều khiển điện tử gồm 3 cụm bộ phận chính (hình 3):

- Cụm tín hiệu điều khiển

- Hộp điều khiển điện tử

- Các van điện từ

Hình 3: Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển điện tử

1 Cụm tín hiệu điều khiển:

Các cảm biến và công tắc đóng vai trò nhận biết các tín hiệu khác nhau để xác định thời điểm chuyển số và khóa bộ biến mô thích hợp, và chuyển đổi thành tín hiệu điện truyền về ECU

- Công tắc chọn chế độ hoạt động: Xác định thời điểm chuyển số và khóa bộ biến mô, áp dụng cho chế độ hoạt động Normal hay Power

- Công tắc vị trí cần số: Xác định vị trí số

- Cảm biến vị trí bướm ga: Xác định góc mở bướm ga

- Cảm biến nhiệt độ nước làm mát: Xác định nhiệt độ nước làm mát động cơ

- Cảm biến tốc độ xe: Xác định tốc độ xe

- Công tắc đèn phanh: Báo hiệu thời điểm đạp phanh

- Công tắc số truyền tăng OD: Chọn chế độ hoạt động số truyền tăng

TÍN HIỆU Đ.KHIỂN HỘP ĐIỀU KHIỂN

ECU

BỘ PHẬN CHẤP HÀNH

Hệ thống dự phòng

Van điện từ chuyển số S1

Van điện từ chuyển số S2

Van điện từ khóa BM S3

Đèn báo số O/D “OFF”

2 Bộ điều khiển điện tử (ECU): (Hình 4)

ECU có các chức năng sau:

- Điều khiển thời điểm chuyển số

- Điều khiển thời điểm khóa biến mô

- Điều khiển mạch dầu áp suất chính

- Chẩn đoán

- Chức năng an toàn

Hình 4: Sơ đồ hệ thống điều khiển điện tử

Tiếp điểm chotín hiệu độ mởbướm ga

Tiếp điểm chotín hiệu độ mởbướm ga

3 Cơ cấu chấp hành:

- Các van điện từ chuyển số: Điều khiển chuyển số

- Van điện từ khóa biến mô: Điều khiển ly hợp khóa biến mô

- Van điện từ điều khiển áp suất mạch dầu chính

- Đèn báo OD OFF: Báo chế độ OD và báo lỗi hộp số

và thời điểm khóa bộ biến mô của hộp số (hình 5)

Hình 5: Cảm biến vị trí bướm ga

Một điện áp cố định 5V được cấp đến chân Vc từ ECU động cơ, khi tiếp điểm trượt dọc biến trở theo độ mở bướm ga, điện áp cực VTA thay đổi tỷ lệ với góc mở này và được gửi tới cực VTA của ECU Điện áp này tăng tuyến tính từ 0V (khi bướm ga đóng hoàn toàn) đến gần 5V (khi bướm ga mở hoàn toàn)

ECU động cơ biến đổi điện áp VTA thành 1 trong 8 tín hiệu góc mở bướm ga khác nhau để báo cho ECU hộp số biết góc mở bướm ga Những tín hiệu này bao gồm tập hợp khác nhau của điện áp cao thấp tại các cực khác nhau của ECU hộp số như trình bày ở biểu đồ dưới đây Diện tích mầu tối của biểu đồ biểu hiện điện áp thấp (0V), diện tích mầu trắng biểu hiện điện áp cao (L1, L2, L3: khoảng 5V; IDL: khoảng 12V) (Hình 6)

IDLL1L2

L3

θi 7 15 25 35 50 65 85 100

%

IDLL1L2

L3

θi 7 15 25 35 50 65 85 100

%

Hình 6: Tín hiệu góc mở bướm ga.

Khi bướm ga đóng hoàn toàn, tiếp điểm cho tín hiệu IDL, nối cực IDL với cực

E, gửi một tín hiệu IDL tới ECU hộp số cho biết bướm ga đã đóng hoàn toàn Hình 7 giối thiệu loại cảm biến TPS gửi tín hiệu trực tiếp đến ECU hộp số

Hình 7: Cảm biến vị trí bướm ga loại trực tiếp

2 Cảm biến tốc độ xe:

Để thời điểm chuyển số phù hợp, ngoài tín hiệu từ cảm biến bướm ga, bộ điều khiển còn phải lấy thêm tín hiệu từ cảm biến tốc độ xe Nhằm đảm bảo tín hiệu chính xác ở mọi thời điểm, hộp số sử dụng hai cảm biến tốc độ Một cảm biến được đặt ở trục thứ cấp hộp số và cái còn lại nằm trên đồng hồ tốc độ xe, cả hai đều là loại cảm biến điện từ (hình 8)

Tín hiệu từ các cảm biến tốc độ gửi về ECU đều là dạng xung ECU luôn so sánh hai tín hiệu này để điều khiển thời điểm chuyển số được chính xác Bình thường, hộp điều khiển chọn tín hiệu từ cảm biến ở trục thứ cấp hộp số để điều khiển chuyển số Trường hợp cảm biến này bị hỏng, hộp điều khiển sẽ lấy tín hiệu từ cảm biến trên đồng

hồ tốc độ để điều khiển (hình 9)

Hình 8: Cảm biến tốc độ xe

Hình 9: Bộ điều khiển lựa chọn cảm biến khi một cảm biến có sự cố

độ Normal, chân PWR của ECU không có tín hiệu điện áp Ở chế độ Power, ECU điều khiển thời điểm chuyển số chậm hơn so với chế độ Normal, nhằm tăng thêm mô men kéo của các bánh xe chủ động Ngoài ra, đèn báo cho chế độ cũng được lắp trên tableau

Hình 10: Sơ đồ mạch điện của tín hiệu Normal và Power

4 Công tắc vị trí cần số:

Công tắc vị trí cần số báo vị trí của cần số trong dãy số P, R, N, D, 2, L (hình 11) ECU nhận biết tín hiệu này để để chọn chế độ hoạt động và chuyển số của hộp số.Ba dãy số có tín hiệu đưa về hộp điều khiển là N, 2 và L Khi không có tín hiệu điện áp từ các tín hiệu này gởi về, hộp điều khiển sẽ chọn dãy số D các tín hiệu này cũng đưa đến bảng đèn báo vị trí cần số trên tableau

Ngoài ra, trên công tắc này còn có thêm một cặp tiếp điểm an toàn, chỉ cho phép khởi động động cơ khi cần số ở vị trí P hay N

Hình 11: Công tắc vị trí cần số

Nhiệt điện trở Nhiệt độ (F o )

Nhiệt điện trởNhiệtđiện trở Nhiệt độ (F o )

5 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát:

Khi nhiệt độ nước làm mát động cơ thấp, tính năng của động cơ và cả khả năng tải của xe sẽ giảm nếu hộp số chuyển lên số truyền tăng Vì vậy, để tránh hiện tượng này, khi nhiệt độ động cơ dưới 60o, bộ điều khiển không cho chuyển vào số OD, đồng thời không cho phép khóa biến mô

Tín hiệu mà hộp điều khiển nhận được từ cảm biến là dạng biến trở nhiệt (hình 12)

Hình 12: Cảm biến nhiệt độ nước làm mát

6 Công tắc báo phanh:

Tín hiệu phanh báo về hộp điều khiển để ngắt ly hợp khóa biến mô, tránh tình trạng chết máy Khi nhấn phanh, một điện áp 12V gởi đến chân STP của bộ điều khiển và ngược lại, khi buông phanh, không có tín hiệu gởi về ECU (hình 13)

Hình 13: Công tắc báo phanh

Công tắc OD ON

Công tắc OD

Công tắc OD

Công tắc OD OFF Công tắc OD ON

Công tắc OD

Công tắc OD

Công tắc OD OFF

7 Công tắc chính OD:

ECU nhận tín hiệu từ công tắc OD (hình 14) để điều khiển hộp số hoạt động ở

số OD Khi công tắc đóng, hộp số sẽ chuyển lên số OD trong một số điều kiện khác nhau Khi công tắc mở, hộp số không chuyển lên số OD được

Khi công tắc OD bật lên ON (tiếp điểm hở), dòng điện từ ắc-quy chạy qua bóng đèn đến bộ điều khiển như hình vẽ, hộp số có thể chuyển qua số OD

Khi công tắc OD tắt (tiếp điểm đóng), dòng điện chạy từ ắc-quy qua bóng đèn xuống mass, đèn sáng Lúc này không có tín hiệu điện áp đến bộ điều khiển, do đó

bộ điều khiển không cho hộp số chuyển sang số OD

Hình 14: Công tắc OD

IV HỘP ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ (ECU)

ECU là bộ điều khiển trung tâm của hệ thống điều khiển, nhận tín hiệu từ các tín hiệu vào và đưa ra các tín hiệu điều khiển đến các van điện từ trong bộ chấp hành

Nó có các chức năng chính sau:

− Điều khiển thời điểm chuyển số

− Điều khiển khóa bộ biến mô

− Điều chỉnh áp suất chính (chỉ có trên một số loại xe)

− Chẩn đoán

− Chức năng an toàn

1 Chức năng điều khiển thời điểm chuyển số:

Bộ điều khiển hộp số được thiết lập một chương trình trong bộ nhớ và được tối

ưu cho các dãy số (D, 2, L) (hình 15)

Dựa vào cần chọn dãy số, ECU điều khiển đóng hoặc mở các van điện từ phù hợp với tín hiệu tốc độ xe và vị trí bướm ga, đóng hoặc mở các đường dầu đến các

bộ ly hợp và phanh để tăng giảm số của hộp số

Hình 15: Sơ đồ hệ thống điều khiển thời điểm chuyển số

Sau đây là các sơ đồ chuyển số tương ứng với vị trí cần số và công tắc chọn chế