tài liệu Hộp số tự động trên ô tô

Trong hộp số tự động, việc chuyển số hay ăn khớp giữa các bánh răng được điều khiển bằng một ECU Bộ điều khiển điện tử được gọi là ECT Hộp số điều khiển điện tử và một hộp số không sử dụ

III Hộp số tự động

1 Giới thiệu chung về hộp số tự động

Trong xe hơi, bên cạnh hộp số thường khá phổ biến, các nhà sản xuất còn chế tạo hộp

số tự động với những tính năng và ưu điểm vượt trội so với loại hộp số thường như chuyển số êm ái nhẹ nhàng hơn, tiết kiệm nhiên liệu, cải thiện khả năng tăng tốc… Với các xe có hộp số tự động thì người lái xe không cần phải suy tính khi nào cần lên số hoặc xuống số Các bánh răng tự động chuyển số tuỳ thuộc vào tốc độ xe và mức đạp bàn đạp

ga So sánh với số sàn thì thấy số tự động có những ưu điểm như tự động đổi số, mô-men được truyền liên tục, động lực không bị ngắt quãng Thích nghi với mọi loại đường, điều khiển dễ dàng, an toàn thoải mái cho người sử dụng; tải trọng động nhỏ, tuổi thọ chi tiết cao Nhược điểm là kết cấu phức tạp, giá thành cao, và khó sửa chữa

Hộp số tự động ra đời năm 1940 tại Mỹ Ban đầu các kỹ sư sử dụng khớp nối thủy lựcđơn thuần Đến năm 1948, biến tốc thủy lực được đưa vào sử dụng cho hộ số tự động.Đến nay hầu hết các loại xe hiện đại đều được sử dụng hộp số tự động, mặc dù vẫn cònnhiều tranh cãi về mức tiêu hao nhiên liệu so với số sàn

Trong hộp số tự động, việc chuyển số hay ăn khớp giữa các bánh răng được điều

khiển bằng một ECU (Bộ điều khiển điện tử) được gọi là ECT (Hộp số điều khiển điện tử) và một hộp số không sử dụng ECU được gọi là hộp số tự động thuần thuỷ lực Hiện

nay hầu hết các xe đều sử dụng ECT ECU động cơ & ECT điều khiển thời điểm chuyển

số và khoá biến mô

(bộ chuyển đổi momen ) bằng cách điều khiển các van điện từ của bộ điều khiển thuỷ lực để duy trì điếu kiện lái tối ưu thông qua các tín hiệu từ các cảm biến và các công tắc lắp trên động cơ và hộp số tự động

Đối với một số kiểu xe thì phương thức chuyển số có thể được chọn tuỳ theo ý muốn của lái xe và điều kiện đường xá Cách này giúp cho việc tiết kiệm nhiên liệu, tính năng

và vận hành xe được tốt hơn

2 Các loại hộp số tự động.

Các hộp số tự động có thể được chia thành 2 loại chính, đó là các hộp số được sử dụng trong các xe FF (động cơ ở phía trước, dẫn động bánh trước) và các xe FR (động cơ

ở phía trước, dẫn động bánh sau) Các hộp số của xe FF có một bộ dẫn động cuối cùng được lắp bên trong, còn các hộp số của xe FR thì có bộ dẫn động cuối cùng lắp bên ngoài Loại hộp số tự động dùng trong xe FR được gọi là hộp truyền động

Ngoài ra hộp số tự động còn được phân loại như sau: Hộp số có cấp (AMT và AT),

hiện nay loại AT được sử dụng rộng rãi; Hộp số tự động vô cấp CVT (truyền động bằng đây đai kim loại)

Trong hộp số tự động đặt ngang, hộp truyền động và bộ dẫn động cuối cùng được bố trí trong cùng một vỏ hộp Bộ dẫn động cuối cùng gồm một cặp bánh răng giảm tốc (bánhrăng dẫn và bánh răng bị dẫn), và các bánh răng vi sai

Cơ sở của hộp số vô cấp CVT

Không giống như những hộp số tự động truyền thống, hộp số vô cấp CTV không có các cặp bánh răng để tạo tỷ số truyền Điều này có nghĩa là nó không có sự ăn khớp giữa các bánh răng Loại CVT thông thường nhất hoạt động trên một hệ thống puli (ròng rọc)

và dây đai truyền cho phép một sự thay đổi vô cấp và liên tục giữa giới hạn thấp nhất và cao nhất mà không có sự tách biệt riêng rẽ các vị trí số

Nếu ở hộp số tự động kiểu hành tinh bạn sẽ thấy sự phức tạp của cả một “thế giới” bánh răng, phanh và đĩa ly hợp cùng các thiết bị điều khiển hoạt động thì ở hộp số vô cấp CVT lại đơn giản hơn nhiều Hầu hết hộp số vô cấp CVT đều có ba phần tử cơ bản:

- Đai truyền bằng kim loại hay cao su có công suất cao

- Một hệ puli có đầu vào thay đổi gắn với trục quay động cơ

- Một hệ puli đầu ra dẫn đến bánh xe

CVT cũng có bộ vi xử lý và các cảm biến để theo dõi và điều khiển nhưng ba phần tử chính trên là những nhân tố chìa khóa cho phép ý tưởng này trở thành hiện thực.

Mặt cắt hộp số CVT

hộp số vô cấp CTV không có các cặp bánh răng để tạo tỷ số truyền

Hệ puli với đường kính thay đổi là trái tim của CVT Mỗi puli được tạo thành từ hai khối hình nón có góc nghiêng 20 độ và đặt đối diện với nhau Một dây đai chạy trong rãnh giữa hai khối hình nón này Dây đai hình chữ V có ưu điểm hơn nếu chúng được làm từ cao su vì có ma sát cao, hạn chế trượt.

Hai khối hình nón này có thể thay đổi khoảng cách giữa chúng Khi hai khối hình nón tách ra xa nhau, dây đai ngập sâu vào trong rãnh và bán kính của dây đai quấn quanh puli

sẽ giảm đi Khi hai khối hình nón này ở gần nhau thì bán kính của dây đai tăng lên CVT

có thể sử dụng áp suất thủy lực hoặc lò xo để tạo ra lực cần thiết thay đổi khoảng cách giữa hai khối hình nón

Hệ puli và dây đai có đường kính thay đổi này thường đi với nhau thành một cặp Mộttrong số đó là puli chủ động được nối với trục quay của động cơ Puli chủ động cũng

được gọi là puli đầu vào bởi vì nó nhận năng lượng trực tiếp từ động cơ đưa vào hộp số Puli thứ hai gọi là puli bị động nối với puli chủ động hay còn gọi là puli đầu ra và nó truyền momen đến trục truyền động dẫn đến bánh xe.

Khoảng cách giữa trục của puli tới điểm quấn của dây đai được gọi là bán kính quay (picth radius) Tỷ số của bán kính quay trên puli chủ động và bán kính quay của puli bị động xác lập nên “số” của hộp số

Khi một puli tăng bán kính của nó và cái khác giảm bán kính để giữ cho dây đai luôn bám chặt vào giữa hai khối hình nón, chúng sẽ tạo ra vô số các tỷ số truyền từ mức thấp nhất cho đến cao nhất Ví dụ khi bán kính quay nhỏ trên puli chủ động và lớn trên puli bị động thì tốc độ quay của puli bị động sẽ giảm kết quả là có được “số thấp” Khi bán kính quay của puli chủ động lớn và của puli bị động nhỏ thì tốc độ của puli bị động tăng lên vàkết quả là được “số cao” Về mặt nguyên lý, hộp số CVT hoạt động với vô số cấp độ có thể chạy ở bất cứ thời điểm nào, đối với bất cứ loại động cơ và tốc độ xe nào của xe

Một hộp số tự động điều khiển điện tử (ECT) gồm các bộ phận sau:

- Bộ biến mô: Để truyền và khuyếch đại mômen do động cơ sinh ra.

- Bộ truyền động bánh răng hành tinh: Để để điều khiển việc chuyển số như giảm

tốc, đảo chiều, tăng tốc, và vị trí số trung gian

- Bộ điều khiển thuỷ lực: Để điều khiển áp suất thuỷ lực sao cho bộ biến mô và bộ

truyền bánh răng hành tinh hoạt động êm

- Các ECU động cơ và ECT: Để điều khiển các van điện từ và bộ điều khiển thuỷ

lực nhằm tạo ra điều kiện chạy xe tối ưu

Hộp số này sử dụng áp suất thuỷ lực để tự động chuyển số theo các tín hiệu điềukhiển của ECU ECU điều khiển các van điện từ theo tình trạng của động cơ và của xe docác bộ cảm biến xác định, từ đó điều khiển áp suất dầu thuỷ lực

Ngoài ra cón có loại hộp số tự động thuần thuỷ lực Kết cấu của một hộp số tự độngthuần thuỷ lực về cơ bản cũng tương tự như của ECT Tuy nhiên, hộp số này điều khiểnchuyển số cơ học bằng cách phát hiện tốc độ xe bằng thuỷ lực thông qua van điều tốc vàphát hiện độ mở bàn đạp ga từ bướm ga thông qua độ dịch chuyển của cáp bướm ga

3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bộ truyền bánh răng hành tinh

Trong các xe lắp hộp số tự động, bộ truyền bánh răng hành tinh điều khiển việc giảmtốc, đảo chiều, nối trực tiếp và tăng tốc Bộ truyền bánh răng hành tinh gồm các bánhrăng hành tinh, các li hợp và phanh Bộ truyền bánh răng hành tinh trước và bộ truyềnbánh răng hành tinh sau được nối với các li hợp và phanh Các ly hợp và phanh này đóngvai trò là các bộ phận nối và ngắt công suất Những cụm bánh răng này chuyển đổi vị trícủa phần sơ cấp và các phần tử cố định để tạo ra các tỷ số truyền bánh răng khác nhau và

vị trí số trung gian

C1, C2 - Các ly hợp

B1, B2, B3 - Các phanh

F1, F2 - Các khớp 1 chiều

a Cấu tạo.

Bộ truyền bánh răng hành tinh có các phần chính: bánh răng bao, bánh răng hành tinh,cần dẫn và bánh răng mặt trời Cần dẫn nối với trục trung tâm của mỗi bánh răng hànhtinh và làm cho các bánh răng hành tinh xoay chung quanh

Với bộ các bánh răng nối với nhau kiểu này thì các bánh răng hành tinh giống như cáchành tinh quay xung quanh mặt trời, và do đó chúng được gọi là các bánh răng hành tinh.Thông thường nhiều bánh răng hành tinh được phối hợp với nhau trong bộ truyền bánhrăng hành tinh.

b Nguyên lý

Bộ truyền bánh răng hành tinh thay đổi tốc độ truyền động và chiều quay bằng cách thay đổi vị trí đầu vào, đầu ra và các phần tử cố định để giảm tốc, tăng tốc, đảo chiều hoặc truyền trực tiếp đến bộ phận chấp hành Sau đây ta có thể diễn giải lần lượt từng hoạt động đó như sau:

Giảm tốc:

Khi bánh răng mặt trời bị cố định thì chỉ có bánh răng hành tinh quay và quay xungquanh bánh răng mặt trời Do đó trục đầu ra giảm tốc độ quay so với trục đầu vào bằngchuyển động quay của bánh răng hành tinh Quan sát hình vẽ trên độ dài của mũi tên chỉtốc độ quay lớn hay nhỏ và chiều rộng của mũi tên tướng ứng với độ lớn của mômen

Dẫn động trực tiếp:

Do bánh răng bao và bánh răng mặt trời quay cùng nhau với cùng một tốc độ nên cầndẫn (đầu ra) cũng quay với cùng tốc độ đó Kết quả là động lực được truyền trực tiếp đến

bộ phận chấp hành thông qua cần dẫn Ta nhận thấy ở đây mômen không thay đổi độ lớn

từ đầu vào cho đến đầu ra

Đảo chiều quay:

Khi cần dẫn được cố định ở vị trí và bánh răng mặt trời quay thì bánh răng bao nhờ các bánh răng hành tinh quay trên trục của nó và hướng quay được đảo chiều Đầu ra nối trực tiếp vào bánh răng bao kết quả là bộ phận chấp hành quay ngược chiều so với trước Mômen đầu ra thay đổi lớn hơn so với đầu vào.

Nguyên lý vận hành của bộ truyền bánh răng hành tinh

Các phanh (B1, B2 và B3)

Các phanh này được chia làm 02 loại theo kiểu phần tử cố định phanh gồm có: kiểu dải và kiểu nhiều đĩa ướt Kiểu dải được sử dụng cho phanh B1 và kiểu nhiều đĩa ướt cho phanh B2 và B3 Ngoài ra trong một số hộp số tự động, hệ thống nhiều đĩa ướt còn được

sử dụng cho phanh B1

Phanh kiểu dải B1

Dải phanh được quấn vòng lên đường kính ngoài của trống phanh Một đầu của dải phanh được hãm chặt vào vỏ hộp số bằng một chốt, còn đầu kia tiếp xúc với píttông phanh qua cần đẩy píttông chuyển động bằng áp suất thuỷ lực Pít tông phanh có thể chuyển động trên cần đẩy píttông nhờ việc nén các lò xo Người ta bố trí các cần đẩy pít tông có hai chiều dài khác nhau để có thể điều chỉnh khe hở giữa dải phanh và trống phanh

Khi áp suất thuỷ lực tác động lên pít tông thì pít tông di chuyển sang phía trái trong xilanh và nén các lò xo Cần đẩy pít tông chuyển sang bên trái cùng với pít tông và đẩy mộtđầu của dải phanh Do đầu kia của dải phanh bị cố định vào vỏ hộp số nên đường kính của dải phanh giảm xuống và dải phanh xiết vào trống làm cho nó không chuyển động được Tại thời điểm này, sinh ra một lực ma sát lớn giữa dải phanh và trống phanh làm cho trống phanh hoặc một phần tử của bộ truyền bánh răng hành tinh không thể chuyển động được.

Khi dầu có áp suất được dẫn ra khỏi xi lanh thì pít tông và cần đẩy pít tông bị đẩy ngược lại do lực của lò xo ngoài và trống được dải phanh nhả ra Ngoài ra, lò xo trong có hai chức năng: để hấp thu phản lực từ trống phanh và để giảm va đập sinh ra khi dải phanh xiết trống phanh

Phanh kiểu nhiều đĩa ướt (B2 và B3)

Phanh B2 hoạt động thông qua khớp một chiều số 1 để ngăn không cho các bánh răngmặt trời trước và sau quay ngược chiều kim đồng hồ Các đĩa ma sát được gài bằng then hoa vào vòng lăn ngoài của khớp một chiều số 1 và các đĩa thép được cố định vào vỏ hộp

số Vòng lăn trong của khớp một chiều số 1 (các bánh răng mặt trời trước và sau) được thiết kế sao cho khi quay ngược chiều kim đồng hồ thì nó sẽ bị khoá, nhưng khi quay theo chiều kim đồng hồ thì nó có thể xoay tự do Mục đích của phanh B3 là ngăn không cho cần dẫn sau quay Các đĩa ma sát ăn khớp với moay-ơ B3 của cần dẫn sau Moay-ơ B3 và cần dẫn sau được bố trí liền một cụm và quay cùng nhau Các đĩa thép được cố định vào vỏ hộp số

Các phanh kiểu đĩa ướt hoạt động ra sao?

Khi áp suất thuỷ lực tác động lên xi lanh pít tông sẽ dịch chuyển và ép các đĩa thép và đĩa ma sát tiếp xúc với nhau Do đó tạo nên một lực ma sát lớn giữa mỗi đĩa thép và đĩa

ma sát Kết quả là cần dẫn hoặc bánh răng mặt trời bị khoá vào vỏ hộp số Khi dầu có áp suất được xả ra khỏi xi lanh thì pít tông bị lò xo phản hồi đẩy về vị trí ban đầu của nó và làm nhả phanh Số lượng các đĩa ma sát và đĩa thép khác nhau tuỳ theo kiểu hộp số tự

động Thậm trí trong các hộp số tự động cùng kiểu số lượng đĩa ma sát cũng có thể khác nhau tuỳ thuộc vào động cơ được lắp với hộp số.

Ly hợp (C1 và C2)

C1 và C2 là các ly hợp nối và ngắt công suất Ly hợp C1 hoạt động để truyền công suất từ bộ biến mô tới bánh răng bao trước qua trục sơ cấp Các đĩa ma sát và đĩa thép được bố trí xen kẽ với nhau Các đĩa ma sát được nối bằng then với bánh răng bao trước

và các đĩa thép được khớp nối bằng then với tang trống của ly hợp số tiến Bánh răng baotrước được lắp bằng then với bích bánh răng bao, còn tang trống của ly hợp số tiến được lắp bằng then với moay ơ của ly hợp số truyền thẳng

Ly hợp C2 truyền công suất từ trục sơ cấp tới tang của ly hợp truyển thẳng (bánh răngmặt trời) Các đĩa ma sát được lắp bằng then với moay ơ của ly hợp truyền thẳng còn các đĩa thép được lắp bằng then với tang trống ly hợp truyền thẳng Tang trống ly hợp truyền thẳng ăn khớp với tang trống đầu vào của bánh răng mặt trời và tang trống này lại được

ăn khớp với các bánh răng mặt trời trước và sau Kết cấu được thiết kế sao cho ba cụm đĩa ma sát, đĩa thép và các tang trống quay cùng với nhau

Khi dầu có áp suất chảy vào trong xi lanh pít tông, nó sẽ đẩy viên bi van của pít tông đóng kín van một chiều và làm pít tông di động trong xi lanh và ép các đĩa thép tiếp xúc với các đĩa ma sát Do lực ma sát lớn giữa các đĩa thép và đĩa ma sát nên các đĩa thép dẫn

và đĩa ma sát bị dẫn quay cùng một tốc độ Có nghĩa là ly hợp được ăn khớp, trục sơ cấp được nối với bánh răng bao, và công suất từ trục sơ cấp được truyền tới bánh răng bao.Khi dầu có áp suất được xả thì áp suất dầu trong xi lanh giảm xuống Điều này cho phép viên bi rời khỏi van một chiều nhờ lực ly tâm tác động lên nó,và dầu trong xi lanh được

xả ra ngoài qua van một chiều Kết quả là, nhờ lực đẩy của lò xo ly hợp trở lại vị trí cũ, lyhợp được nhả ra

Trong cơ cấu của một ly hợp thông thường để ngăn cản sự sinh ra áp suất do lực ly tâm tác động lên dầu trong buồng áp suất dầu của pít tông khi nhả ly hợp, người ta bố trí một viên bi một chiều để xả dầu Do đó, trước khi có thể tác động tiếp vào ly hợp cần có thời gian để dầu điền đầy buồng áp suất dầu của pít tông

Trong khi chuyển số, ngoài áp suất do thân van kiểm soát, thì áp suất tác động lên dầutrong buồng áp suất dầu của pít tông cũng có ảnh hưởng, mà áp suất này lại phụ thuộc vào sự dao động tốc độ của động cơ Để triệt tiêu ảnh hưởng này người ta bố trí đối diện với buồng áp suất thuỷ lực của pít tông một khoang triệt tiêu áp suất dầu thuỷ lực Bằng việc sử dụng dầu bôi trơn như dầu dùng cho trục thì một lực ly tâm tương đương sẽ tác động, làm triệt tiêu lực ly tâm tác động lên bản thân pít tông Vì vậy, không cần phải xả chất lỏng bằng cách dùng viên bi mà vẫn đạt được một đặc tuyến thay đổi tốc độ êm và rất nhạy

Khớp một chiều (F1 và F2)

Khi bộ truyền bánh răng hành tinh được thiết kế mà không tính đến va đập khi chuyển

số thì B2, F1 và F2 là không cần thiết Chỉ cần C1, C2, B1 và B3 là đủ Nhưng rất khó thực hiện việc áp suất thuỷ lực tác động lên phanh đúng vào thời điểm áp suất thuỷ lực vận hành để nhả ly hợp Do đó, khớp một chiều số 1 (F1) tác động qua phanh B2 để ngănkhông cho bánh răng mặt trời trước và sau quay ngược chiều kim đồng hồ Khớp một chiều số 2 (F2) ngăn không cho cần dẫn sau quay ngược kim đồng hồ Vòng lăn ngoài của khớp một chiều số 2 được cố định vào vỏ hộp số Nó được lắp ráp sao cho nó sẽ khoákhi vòng lăn trong (cần dẫn sau) xoay ngược chiều kim đồng hồ và quay tự do khi vòng lăn trong xoay theo chiều kim đồng hồ Với cách này có thể sử dụng các khớp một chiều

để chuyển các số bằng cách luôn ấn hoặc nhả áp suất thuỷ lực lên một phần tử Nghĩa là, chức năng của khớp một chiều là đảm bảo chuyển số được êm

Những hình ảnh dưới đây sẽ giải thích cho chúng ta hoạt động của mỗi số bằng sơ đồ nguyên lý

(1) Trục sơ cấp làm quay bánh răng bao của bộ truyền hành tinh trước theo chiều kim đồng hồ nhờ C1 (2) Bánh răng hành tinh của bộ truyền hành tinh trước quay và chuyển