Chương 1: Khảo sát, nghiên cứu về điều khiển hộp số tự động và ưu nhược điểm của hộp số hành tinh Người thực hiện: Phùng Đức Trung Chương 2: Cấu tạo, sơ đồ, nguyên lý làm việc của hộp số
Khảo sát , nghiên cứu về điều khiển HSTĐ
Khảo sát, nghiên cứu về điều khiển hộp số tự động hành tinh
Hộp số thường (số sàn) yêu cầu người lái sử dụng cần sang số để điều chỉnh mô men xoắn, nhằm tăng hoặc giảm lực kéo phù hợp với điều kiện di chuyển, như cần số thấp khi lên dốc hoặc số cao khi chạy đường thẳng với tốc độ cao Người lái cần nhận biết tải trọng và tốc độ để điều chỉnh số một cách linh hoạt, điều này đòi hỏi sự tập trung cao Ngược lại, hộp số tự động giúp người lái thoải mái hơn vì việc chuyển số diễn ra tự động theo tải và tốc độ xe, mang lại sự êm ái trong vận hành và dễ dàng hơn khi dừng xe mà không cần thao tác phức tạp.
Hộp số tự động được chia thành hai loại chính: hộp số sử dụng ECU, hay còn gọi là ECT (Hộp số điều khiển điện tử), và hộp số tự động thuần thủy lực không sử dụng ECU Việc phân loại hộp số tự động cũng có thể dựa trên tỉ số truyền của chúng.
- Hộp số tự động vô cấp
- Hộp số tự động có cấp ii Theo cách điều khiển:
- Điều khiển hoàn toàn bằng thủy lực
- Điều khiển điện tử ECT có xử dụng ECU để điều khiển và có thêm chức năng chuẩn đoán dự phòng iii Theo cấp số truyền:
- Hầu hết các xe hiện nay sử dụng loại 4,5,6 cấp số
- Một số loại xe sử dụng hộp số 8 cấp c Chức năng của hộp số tự động:
Tạo ra các cấp tỉ số truyền tối ưu giúp điều chỉnh momen xoắn từ động cơ đến các bánh xe chủ động, đáp ứng nhu cầu di chuyển và tối đa hóa công suất động cơ.
- Đảm bảo cho xe dừng tại chỗ mà không cần tắt máy hay ngắt ly hợp Ngoài ra ECT còn có khả năng tự chuẩn đoán
Điều khiển hộp số tự động
a Điều khiển tự động quá trình sang số bằng thủy lực.
Sang số được thực hiện dựa trên tốc độ xe và độ mở cánh bướm ga, với mỗi dải tốc độ và độ mở gây ra chênh lệch áp suất ảnh hưởng đến trạng thái của van sang số Tuy nhiên, do giới hạn về đặc tính hoạt động của cơ cấu cơ khí và thủy lực, van sang số không thể hoạt động hoàn toàn theo ý muốn, dẫn đến hộp số thiếu linh hoạt và cảm giác không thoải mái khi vận hành.
- Trả số: có 3 trường hợp: trả số khi đang thả trôi, trả số cưỡng bức, và trả số khi cần gạt chuyển sang số thấp hơn.
Khi thả trôi, bướm ga sẽ đóng hoàn toàn và tốc độ của xe sẽ giảm dần Lúc này, áp lực dầu tỉ lệ với độ mở của bướm ga sẽ giảm xuống, trong khi tay số vẫn được duy trì cho đến khi áp lực dầu nhỏ hơn áp lực do lò xo gây ra.
Khi lái xe ở tốc độ thấp và người lái đột ngột tăng ga, áp lực dầu sẽ tăng nhanh do độ mở cánh bướm ga, trong khi áp lực dầu liên quan đến tốc độ lại ở mức thấp Điều này dẫn đến quá trình trả số cưỡng bức, có thể diễn ra từ số 4 xuống 3, 3 xuống 2, 2 xuống 1 hoặc từ số 4 xuống thấp hơn.
Tùy thuộc vào thiết kế hộp số, cách sang số, tốc độ xe và tốc độ đạp ga, quá trình trả số có thể xảy ra hoặc không Khi tốc độ xe đủ lớn, việc trả số sẽ không diễn ra Trả số cưỡng bức giúp xe tăng tốc nhanh chóng và yêu cầu về việc này tương tự như khi người lái sử dụng xe với hệ thống truyền động thông thường.
Việc trả số có thể xảy ra khi người lái chuyển cần gạt sang vị trí tay số thấp hơn, dẫn đến van chọn chế độ hoạt động của hộp số thay đổi vị trí và thực hiện trả số Tuy nhiên, hành động này không nên thực hiện nếu không có sự cho phép của nhà sản xuất Đồng thời, việc điều khiển quá trình sang số tự động bằng điện tử cũng cần được chú trọng.
Hệ thống truyền động điều khiển tự động bằng điện tử vẫn sử dụng thủy lực để tác động lên các ly hợp và đại thắng, nhưng đã thay thế các van điều chỉnh áp suất dầu tỉ lệ theo tốc độ và độ mở cánh bướm ga bằng TCU và các van solenoid Nhờ vào việc điều khiển từ TCU, các van sang số có thể hoạt động linh hoạt hơn, cho phép tối ưu hóa thời điểm và cách sang số, nâng cao chất lượng quá trình sang số so với hệ thống điều khiển bằng thủy lực.
Hệ thống truyền động điều khiển tự động bằng điện tử đang ngày càng phát triển, với TCU ban đầu chỉ điều khiển ly hợp của bộ biến mô qua van solenoid để tiết kiệm nhiên liệu Dần dần, TCU đã chuyển sang điều khiển các van solenoid cung cấp dầu cho van sang số, và các cảm biến được tích hợp vào hệ thống mạng thay vì có đường truyền riêng rẽ TCU giờ đây có khả năng yêu cầu ECU giảm momen động cơ khi sang số và có thể trực tiếp điều khiển giảm momen mà không cần ECU Sự chuyển đổi từ tính toán sang bảng tra giúp TCU điều khiển sang số linh hoạt hơn, trong khi các bộ điều khiển thích nghi cải thiện hiệu quả hoạt động và cảm giác êm dịu cho người lái Bộ điều chỉnh áp lực dầu cũng đã được nâng cấp từ cơ học sang điều khiển điện tuyến tính và solenoid, giảm thiểu các thiết bị phụ trợ Để tối ưu hóa hiệu suất bộ biến mô, việc điều khiển thời điểm đóng ly hợp cần được cân nhắc kỹ lưỡng để giảm tổn thất công suất, đồng thời duy trì khả năng khuếch đại momen Việc mở ly hợp trong quá trình đổi số giúp giảm dao động và tạo cảm giác thoải mái cho người sử dụng, trong đó ly hợp luôn được mở ở tay số 1 để tận dụng khả năng khuếch đại momen, giúp xe tăng tốc nhanh hơn.
Khi ga tăng nhanh trong khi tốc độ xe vẫn thấp, quá trình sang số cưỡng bức diễn ra Ly hợp được mở để tận dụng khả năng khuếch đại mô men của bộ biến mô, giúp xe tăng tốc nhanh hơn.
Hệ thống điều khiển đời mới kết hợp tín hiệu từ các cảm biến và giải thuật điều khiển thông minh để đóng/mở ly hợp đúng thời điểm, tạo cảm giác thoải mái nhất và tiết kiệm nhiên liệu tối đa Ly hợp có thể được đóng khi động cơ đang ở tốc độ thấp và tải thấp mà vẫn thoả mãn cả hai yêu cầu này. Để tăng cảm giác thoải mái khi sử dụng xe, pittông điều khiển đóng ly hợp sẽ không còn là loại đóng/mở dứt khoát mà có hành trình có thể điều khiển được bằng cách điều chỉnh áp lực dầu Áp lực dầu từ chỗ được bật/tắt dứt khoát bằng các van solenoid 2 trạng thái được chuyển sang điều chỉnh nhuyễn bằng bộ điều áp tuyến tính hay bằng van solenoid điều khiển áp lực dầu theo phương pháp điều rộng xung. Điều khiển thời điểm sang số: quá trình sang số thường được điều khiển bằng các bảng tra đã được ghi trong bộ nhớ, Những bảng tra này với các dải điều khiển khác nhau có thể được thay đổi trong quá trình điều khiển Giới hạn của điểm sang số được xác định bởi tốc độ lớn nhất và thấp nhất cho phép của động cơ đảm bảo cảm giác thoải mái và độ ồn của động cơ trong mỗi điều kiện hoạt động. Thời điểm sang số được dựa trên tín hiệu độ mở cánh bướm ga, tốc độ động cơ (xác định từ tốc độ trục thứ cấp của hộp số), vị trí chân ga. Để tránh sự chuyển số liên tục giữa 2 tay số, giữa giới hạn thời điểm thời điểm trả số có một khoảng trễ (khoảng không nhạy) Khoảng trễ này được xác định từ đặc tính của xe và phong cách sang số được chọn Một bộ điều khiển sẽ có nhiều bảng tra điều khiển sang số tương ứng cho các phong cách sang số khác nhau Bảng tra tương ứng với các điểm sang số sẽ làm cho hao phí nhiên liệu là thấp nhất Bảng tra tương ứng với các điểm sang số sẽ tạo ra công suất lớn nhất Người lái có thể lựa chọn bảng tra có đặc tính mong muốn bằng cách lựa chọn bằng các nút hay công tắc Việc xác định các bảng tra phụ thuộc nhiều vào quan điểm thiết kế của nhà sản xuất Hệ thống điều khiển hiện đại có khả năng tự nhận biết phong cách lái của người lái bằng cách quan sát cách đạp ga của họ và tự chọn phong cách sang số (bảng tra) thích hợp Khi bướm ga mở nhanh mà tốc độ động cơ còn thấp, TCU trả số cưỡng bức để xe tăng tốc nhanh hơn.
Khi xe gặp khúc cua hoặc phải tránh chướng ngại vật, bướm ga có thể đóng lại nhưng tốc độ xe vẫn tăng, dẫn đến việc sang số không mong muốn Để ngăn chặn tình huống này, TCU kiểm soát vị trí bướm ga và tốc độ xe, không cho phép sang số khi xe đang xuống dốc và có thể trả số về Để giảm momen động cơ khi sang số, TCU cần giao tiếp với ECU điều khiển động cơ nhằm hỗ trợ sự đồng bộ của hộp số và giảm hiện tượng giật mạnh khi sang số.
Momen của động cơ thường được điều chỉnh bằng cách thay đổi thời điểm đánh lửa, một phương pháp tác động nhanh Thời điểm đánh lửa tối ưu phụ thuộc vào momen cần thiết và phong cách sang số của người lái.
Khi sang số, công suất từ động cơ truyền đến bánh xe một cách liên tục Việc giảm momen động cơ được thực hiện dựa trên việc theo dõi sự giảm tốc độ của động cơ Thời điểm bắt đầu giảm momen phụ thuộc vào sai lệch tốc độ đã được xác định trước, và thời điểm kết thúc giảm momen xảy ra khi có sự đồng tốc ở số mới.
Tổn hao công suất dưới dạng nhiệt khi đóng ly hợp trong bộ bánh răng hành tinh phụ thuộc vào momen động cơ và thời gian trượt của ly hợp, được tính toán theo một công thức cụ thể.
Q=f.( Me.Ts + Qkin) Với: Q = tổn hao công suất do đóng ly hợp
Ts= thời gian trượt của ly hợp.
Qkin = động năng của các phần tử quay trong ly hợp
Giảm mômen khi sang số giúp giảm nhiệt phát ra từ việc đóng các ly hợp trong bộ bánh răng hành tinh, cho phép tăng thời gian trượt để tăng độ êm dịu khi sang số mà vẫn giữ nhiệt độ phát ra trong mức cho phép Khi thực hiện trả số cưỡng bức, công suất từ động cơ đến bánh xe bị gián đoạn và chỉ được truyền trở lại khi đạt được sự đồng tốc Tốc độ quay cao của động cơ có thể gây ra dao động trong quá trình truyền động, và dao động này được giảm bằng cách giảm mômen trước khi đạt sự đồng tốc ở tay số mới Khi tốc độ trục sơ cấp bắt đầu đồng bộ với tay số mới, mômen động cơ được giảm một lượng và sau đó sẽ được tăng trở lại dần dần.
Thời điểm đánh lửa được điều chỉnh riêng cho từng loại xe, động cơ và hộp số nhằm giảm moment khi sang số hoặc trả số Một số hệ thống hiện đại cho phép TCU can thiệp trực tiếp vào quá trình này mà không làm ảnh hưởng đến ECU điều khiển động cơ Để nâng cao cảm giác thoải mái khi chuyển số, việc giảm moment động cơ có thể kết hợp với điều chỉnh áp lực dầu Các hệ thống mới không còn sử dụng van solenoid đơn giản để điều khiển áp lực dầu, mà thay vào đó là các bộ điều chỉnh áp lực dầu tuyến tính với giải áp lực điều khiển rộng, giúp cải thiện chất lượng sang số và cảm giác êm dịu Bộ điều khiển điện tử TCU thực hiện công việc này một cách dễ dàng, tối ưu hóa quá trình truyền động tự động.
Ưu và nhược điểm
Ưu điểm
- Làm việc không gây tiếng ồn, không cần bộ đồng tốc
- Việc gài số được thực hiện nhờ ly hợp và phanh, nên tạo điều kiện thuận lợi cho việc tự động quá trình gài số
- Kết cấu gọn gang nhờ ăn khớp bên trong
- Tỉ số truyền lớn hơn hộp số thường
Có thể thực hiện việc sang số mà không cần ngắt công suất truyền từ động cơ, giúp giảm thiểu hao hụt công suất Nhờ đó, thời gian và hành trình gia tốc trở nên ngắn hơn.
- Có hiệu suất cao hơn hộp số thường
Cấu tạo, sơ đồ, nguyên lý làm việc của hộp số hành tinh, các cụm
Sơ đồ
Ring Gear là bánh răng ngoài cùng, bao quanh hai bộ bánh răng hành tinh.
• Planet Gears là các bánh răng hành tinh quay quanh hai Sun Gear.
• Planet Carrier là giá đỡ gắn các Planet Gears và chuyển động quay của các bánh răng hành tinh ra trục đầu ra.
• Sun Gear 1 và Sun Gear 2 là hai bánh răng mặt trời khác nhau điều khiển hai bộ bánh răng hành tinh.
Nguyên Lý làm việc
Bằng cách thay đổi vị trí đầu vào, đầu ra, phần và các phần tử cố định có thể giảm tốc, đảo chiều, nối trực tiếp và tăng tốc.
Các nét chính của các hoạt động đó được diễn giải dưới đây.
Bánh răng ngoại luân chủ động (được truyền tự động cơInput)
Bánh răng hành tinh quay quanh trục của nó và quay quanh bánh răng mặt trời (nhận lực từ bánh răng ngoại luân)
Bánh răng mặt trời cố định.
Giá hành tinh quay theo bánh răng hành tinh (nhận lực từ bánh răng hành tinhOutput).
Bởi vậy momen được lấy ra từ trục của giá hành tinh.
Khi bánh răng mặt trời cố định, bánh răng hành tinh sẽ quay xung quanh nó, dẫn đến việc trục đầu ra giảm tốc độ so với trục đầu vào Độ dài của mũi tên biểu thị tốc độ quay, trong khi chiều rộng của mũi tên thể hiện mô men; mũi tên dài hơn tương ứng với tốc độ quay lớn hơn, và mũi tên rộng hơn cho thấy mô men lớn hơn.
Bánh răng mặt trời chủ động (được truyền từ động cơInput).
Bánh răng hành tinh quay quanh trục của nó (nhận lực từ bánh răng mặt trời)giá hành tinh cố định.
Bánh răng ngoại luân quay (nhận lực từ bánh răng hành tinhOutput) Bởi vậy momen ra được lấy từ trục của bánh răng ngoại luân.
Khi bánh răng mặt trời được cố định và quay, bánh răng bao sẽ quay trên trục với hướng quay bị đảo chiều Độ dài của mũi tên biểu thị tốc độ quay, trong khi chiều rộng của mũi tên thể hiện mômen Mũi tên dài hơn tương ứng với tốc độ quay lớn hơn, và mũi tên rộng hơn cho thấy mômen lớn hơn.
Bánh răng mặt trời và ngoại luân chủ động (được truyền lực từ động cơ- Input).
Bánh răng hành tinh cố định (nhận lực từ bánh răng ngoại luân và bánh răng mặt trời).
Giá hành tinh quay theo bánh răng hành tinh (nhận lực từ bánh răng hành tinhOutput).
Bởi vậy momen ra được lấy từ trục của giá hành tinh.
Bánh răng bao và bánh răng mặt trời quay cùng tốc độ, do đó cần dẫn cũng quay với tốc độ tương tự Độ dài của mũi tên biểu thị tốc độ quay, trong khi chiều rộng của nó thể hiện mômen Mũi tên dài hơn cho thấy tốc độ quay lớn hơn, trong khi mũi tên rộng hơn chỉ ra mômen lớn hơn.
Giá đỡ hành tinh chủ động (được truyền lực từ động cơInput).
Bánh răng hành tinh xoay tròn quanh bánh răng mặt trời theo chiều quay của giá đỡ hành tinh (nhận lực từ giá đỡ hành tinh).
Bánh răng ngoại luân quay theo bánh răng hành tinh (nhận lực từ bánh răng hành tinhOutput).
Bởi vậy momen ra được lấy ra từ trục của bánh răng ngoại luân.
Khi cần dẫn quay theo chiều kim đồng hồ thì bánh răng hành tinh chuyển động xung quanh bánh răng mặt trời theo chiều kim đồng hồ
Bánh răng bao tăng tốc dựa vào số răng của bánh răng bao và bánh răng mặt trời Độ dài của mũi tên biểu thị tốc độ quay, trong khi chiều rộng của mũi tên thể hiện mô men.
Mũi tên càng dài thì tốc độ quay càng lớn, và mũi tên càng rộng thì mômen càng lớn.
Trong hộp số hành tinh, mỗi cơ cấu hành tinh chỉ đảm nhận hai tỷ số truyền trong trạng thái làm việc, ngoại trừ số Mo Các hộp số hành tinh thường được tổ hợp từ hai hoặc nhiều cơ cấu hành tinh Phần tử liên kết, hay bánh răng hành tinh, được gọi là phần tử khóa, thể hiện mối liên kết giữa một hoặc nhiều phần tử của cơ cấu hành tinh với nhau hoặc với vỏ hộp số hành tinh.
- Ly hợp ma sát làm việc trong dầu.
Các khả năng làm việc của hộp số hành tinh 1 Giảm tốc
Dẫn động trực tiếp
- Công suất đưa vào cả hai bánh răng mặt trời và bánh răng bao, công suất được đưa ra ở cần dẫn.
- Do bánh răng bao và bánh răng mặt trời quay cùng với nhau với cùng một tốc độ nên cần dẫn cũng quay cùng tốc độ đó.
Tăng tốc
Khi cần điều chỉnh chuyển động theo chiều kim đồng hồ, các bánh răng hành tinh sẽ quay xung quanh bánh răng mặt trời, đồng thời cũng quay quanh trục của chúng theo cùng chiều Tốc độ của các bánh răng bao sẽ tăng lên tùy thuộc vào số răng của bánh răng bao và bánh răng mặt trời.