Nguyên lý hoạt động của hộp số tự động

CO UNG DUNG

Nguyên lý hoạt động của hộp số tự động

Cập nhật lúc 09h34' ngày 25/01/2007

Xem thêm: nguyen , ly , hoat , dong , cua , hop , so , tu , dong

Nếu bạn đã từng điều khiển một chiếc ôtô số tự động, chắc chắn bạn sẽ nhận ra hai điều khác biệt rõ ràng giữa một chiếc xe số tự động và chiếc xe sử dụng số cơ khí gài bằng tay.

Sự khác biệt giữa hộp số tự động và hộp số tay

Trên hộp số tự động, bạn sẽ không tìm thấy bàn đạp ly hợp và cũng không có cần chuyển số (1, 2,

3, 4 ) Bạn chỉ cần thao tác duy nhất là đưa cần chọn số vào nấc D (drive), sau đó mọi thứ đều là

tự động

Cả hộp số tự động (với bộ biến mô-men) và hộp số cơ khí (với ly hợp ma sát khô) đều có chức năng giống nhau, nhưng về nguyên lý làm việc lại hoàn toàn khác nhau Và nếu tìm hiểu sâu, chúng ta sẽ thấy hộp số tự động thực hiện những điều vô cùng kinh ngạc

Trong bài viết này, chúng ta cùng tìm hiểu về hộp số tự động Chúng ta sẽ bắt đầu với điểm mấu chốt của toàn bộ hệ thống: bộ bánh răng hành tinh Sau đó chúng ta xem cách các chi tiết của hộp

số được lắp ghép như thế nào, chúng làm việc ra sao và cuối cùng hãy thảo luận về một số vấn đề phức tạp liên quan đến điều khiển hộp số tự động

Cũng giống như hộp số cơ khí, nhiệm vụ chính của hộp số tự động là cho phép tiếp nhận công suất động cơ ở một phạm vi tốc độ nhất định nhưng cung cấp theo phạm vi tốc độ lớn hơn ở đầu ra

Hộp số sử dụng các bánh răng để lợi dụng hiệu quả mô-men của động cơ và giúp động cơ cung cấp cho bánh xe vùng tốc độ phù hợp nhất theo các chế độ tải trọng và theo ý muốn của người

Sự khác biệt chủ yếu giữa hộp số tự động và hộp số cơ là hộp số cơ thay đổi việc gài các bánh răng ăn khớp với nhau để tạo nên giá trị tỷ số truyền khác nhau giữa trục sơ cấp (nối liền với động cơ) và trục thứ cấp (nối liền với trục truyền ra các cầu chủ động) Trong khi ở hộp số tự động thì khác hẳn, bộ bánh răng hành tinh sẽ thực hiện tất cả những nhiệm vụ phức tạp đó

Nguyên lý làm việc của bộ truyền bánh răng hành tinh

Khi nhìn vào bên trong một hộp số tự động, bạn thấy có sự sắp đặt thành từng phần riêng rẽ ở từng không gian hợp lý Trong số những thứ đó, bạn thấy:

- Một bộ phanh đai dùng để khoá các phần của bộ truyền bánh răng hành tinh

- Một bộ gồm ba mảnh ly hợp ướt làm việc trong dầu dùng để khoá các phần của bộ truyền

- Một hệ thống thuỷ lực để điều khiển các ly hợp và phanh đai

- Một bộ bơm bánh răng lớn để luân chuyển dầu truyền động trong hộp số Quan trọng nhất trong hệ thống là bộ truyền bánh răng hành tinh Việc đầu tiên là chế tạo ra chúng

có các tỷ số ăn khớp khác nhau và sau đó là giúp cho chúng hoạt động như thế nào Một hộp số

tự động bao gồm các bộ truyền bánh răng hành tinh cơ sở nhưng được kết hợp thành một khối trong hộp số

Bất cứ bộ truyền bánh răng hành tinh cơ sở nào cũng có ba phần chính:

- Các bánh răng hành tinh và giá bánh răng hành tinh (C)

- Vành răng ngoài (R)

Đầu vào Đầu ra Bị khóa đứng yên Công thức tính truyền Tỷ số

Khi khoá hai trong ba thành phần lại với nhau sẽ khoá toàn bộ cơ cấu thành một khối (tỷ số truyền

là 1:1) Chú ý rằng danh sách tỷ số đầu tiên ở trên (A) là số truyền giảm – tốc độ trục thứ cấp (đầu ra) nhỏ hơn tốc độ trục sơ cấp (đầu vào) Thứ hai (B) là số truyền tăng – tốc độ trục thứ cấp lớn hơn tốc độ trục sơ cấp Cuối cùng cũng là số truyền giảm, nhưng chiều chuyển động của trục sơ cấp ngược với trục thứ cấp, tức là số lùi Bạn có thể kiểm tra chúng theo sơ đồ mô phỏng sau:

Một bộ truyền bánh răng cơ sở này có thể thực hiện các tỷ số truyền khác nhau mà không cần gài

ăn khớp hay nhả khớp với bất cứ bánh răng khác Với hai bộ truyền bánh răng cơ sở ghép liền, chúng ta có thể nhận được 4 tốc độ tiến và một tốc độ lùi Chúng ta sẽ bàn về hai bộ truyền bánh răng cơ sở ghép liền ở phần sau

Hộp số tự động ghép liền này cũng là một bộ truyền bánh răng hành tinh, gọi là bộ truyền hành tinh kép, cấu trúc giống như bộ bánh răng hành tinh đơn nhưng cấu trúc là hai bộ bánh răng hành tinh kết hợp lại Nó có một vành răng ngoài luôn gắn với trục thứ cấp của hộp số, nhưng nó có hai bánh răng mặt trời và hai bộ bánh răng hành tinh

Hãy xem hình sau:

Ở hình dưới: các bánh răng hành tinh đặt trên một giá Xem xét kỹ hơn: bánh răng hành tinh bên phải nằm thấp hơn bánh răng bên trái Bánh răng bên phải không ăn khớp với vành răng ngoài,

mà ăn khớp với bánh răng hành tinh bên cạnh Chỉ có bánh răng hành tinh bên trái ăn khớp với

Tiếp theo bạn hãy nhìn vào bên trong của giá bánh răng hành tinh Các bánh răng ngắn hơn được

ăn khớp với bánh răng mặt trời nhỏ hơn Các bánh răng dài hơn được ăn khớp với bánh răng mặt trời lớn hơn đồng thời với ăn khớp các bánh răng hành tinh nhỏ hơn

Sơ đồ mô phỏng dưới đây cho thấy các cụm được lắp với nhau như thế nào trong một hộp số:

Ở số 1, bánh răng mặt trời nhỏ hơn là chủ động quay thuận chiều kim đồng hồ cùng với tuốc-bin của bộ biến mô-men Giá của bánh răng hành tinh có xu hướng quay ngược chiều lại nhưng bị khớp một chiều giữ lại (chỉ cho phép quay cùng chiều kim đồng hồ) và vành răng ngoài truyền chuyển động ra trục thứ cấp Bánh răng mặt trời có 30 răng và vành răng ngoài có 72 răng, vì vậy

Vì chuyển động quay là ngược lại theo tỷ số 2.4:1, có nghĩa là chiều quay của trục thứ cấp ngược với trục sơ cấp Nhưng chiều của trục thứ cấp giống như chiều của trục sơ cấp Bộ bánh răng hành tinh thứ nhất ăn khớp với bộ bánh răng thứ hai, và bộ bánh răng hành tinh thứ hai làm quay vành răng Sự kết hợp này đã đảo chiều của chuyển động Bạn có thể thấy điều này cũng sẽ làm cho bánh răng mặt trời to hơn quay, nhưng vì ly hợp đang nhả nên bánh răng mặt trời to hơn quay trơn theo chiều ngược lại của tuốc bin (ngược chiều kim đồng hồ)

Số 2

Hộp số này làm những việc thực sự tinh sảo để có được tỷ số truyền phù hợp cho số 2 Chúng hoạt động như hai bộ bánh răng hành tinh gài nối tiếp với nhau trên một giá bánh răng hành tinh chung

Tầng đầu tiên của giá bánh răng hành tinh sử dụng bánh răng mặt trời to thay thế vành răng Vì vậy tầng đầu gồm bánh răng mặt trời (bánh răng mặt trời nhỏ hơn), giá bánh răng hành tinh và

Trục sơ cấp là trục bánh răng mặt trời nhỏ, vành răng (bánh răng mặt trời lớn) bị giữ chặt bởi một chiếc phanh đai, trục thứ cấp là giá bánh răng hành tinh Đối với tầng này, với bánh răng mặt trời

là trục sơ cấp, giá bánh răng hành tinh là trục thứ cấp, vành răng bị cố định, ta có công thức sau:

Giá bánh răng hành tinh quay được 2.2 vòng khi bánh răng mặt trời nhỏ quay được một vòng Ở tầng hai, giá bánh răng hành tinh hoạt động như trục sơ cấp đối với bộ bánh răng hành tinh thứ hai, bánh răng mặt trời lớn hơn (bị giữ cố định) hoạt động như bánh răng mặt trời, và vành răng

1 / (1 + S/R) = 1 / (1 + 36/72) = 0.67:1

Để nhận được sự giảm tốc tổng cộng ở số thứ hai, ta nhân tỷ số truyền của hai tầng với nhau 2.2

x 0.67 = 1.41 Điều này tưởng như là phi lý, nhưng thực tế là như vậy

Đa số các hộp số tự động có một tỷ số 1:1 ở số 3 Bạn nhớ rằng ở đoạn trước ta đã biết tỷ số 1:1

là do khoá 2 trong 3 phần bất kỳ của bánh răng hành tinh Điều này thực sự dễ hơn cả và chúng ta chỉ cần làm một việc là khoá các bánh răng mặt trời với tuốc-bin Nếu cả hai bánh răng mặt trời đều quay cùng tốc độ, các bánh răng hành tinh sẽ bị khoá do chúng chỉ có thể quay theo chiều ngược lại Điều này dẫn đến khoá vành răng với các bánh răng hành tinh và tất cả quay cùng một khối tạo nên tỷ số truyền 1:1

Như đã nói ở trên, sự tăng tốc độ là tốc độ đầu ra lớn hơn tốc độ đầu vào Việc làm tăng tốc độ là điều ngược lại với tính chất của hộp giảm tốc Ở chế độ truyền lực này, bộ truyền được gài hai bộ truyền hành tinh thành một bộ truyền làm việc Ở chế độ tăng tốc trục được nối với giá bánh răng hành tinh qua ly hợp Bánh răng mặt trời nhỏ chạy tự do trên trục, bánh răng mặt trời lớn hơn bị phanh đai tăng tốc giữ lại Chúng không nối với tuốc-bin, mà nối trực tiếp với vỏ biến mô Hãy nhìn lại sơ đồ của chúng ta, lần này giá bánh răng hành tính sẽ là đầu vào, bánh răng mặt trời đã cố định còn vành răng là đầu ra Ta có tỷ số truyền là:

i = 1 / (1 + S/R) = 1 / (1 + 36/72) = 0.67:1

Vì vậy trục thứ cấp sẽ quay khoảng một vòng khi động cơ quay hai phần ba vòng Nếu tốc độ động cơ là 2000 vòng/phút thì tốc độ đầu ra của hộp số là 3000 vòng/phút Điều này cho phép

chiếc xe chạy ở tốc độ cao với động cơ tốc độ vẫn ở mức trung bình và nhỏ.

Số lùi gần giống với số 1, ngoại trừ việc thay thế bánh răng mặt trời nhỏ quay theo tuốc bin của bộ biến mô, bằng bánh răng mặt trời lớn hơn được dẫn động bởi tuốc bin còn bánh răng mặt trời nhỏ hơn quay tự do theo chiều ngược lại Giá bánh răng hành tinh bị phanh đai số lùi giữ lại Theo

Vì vậy tỷ số truyền của số lùi nhỏ hơn tỷ số truyền của số 1 một chút

Hộp số này có 4 số tiến và một số lùi Hãy nhìn bảng dưới đây:

2

Bánh răng mặt trời

Giá bánh răng hành tinh

Vành răng 72 răng

Bánh răng mặt

Truyền

thẳng

Giá bánh răng hành tinh

Vành răng 72 răng

Bánh răng mặt

Sau khi đọc những thông tin trên, chắc chắn bạn sẽ ngạc nhiên rằng những đầu vào khác nhau được ngắt và nối như thế nào? Điều này được thực hiện bởi một loạt các ly hợp đĩa và phanh đai bên trong hộp số Trong phần tiếp theo bạn sẽ được biết chúng làm việc như thế nào

Đối với hộp số tự động, khi gài ở chế độ tăng tốc trục (được nối với vỏ biến mô-men, và bánh đà) được nối với giá bánh răng hành tinh qua ly hợp Những bánh răng mặt trời nhỏ chạy trơn trên trục, bánh răng mặt trời lớn hơn bị phanh đai tăng tốc giữ lại Không có gì nối với tuốc bin, chỉ có

Để hộp số tăng tốc độ, rất nhiều chi tiết cần phải ngắt và nối nhờ ly hợp và các đai Giá bánh răng

hành tinh nối với hộp biến mô nhờ ly hợp Bánh răng mặt trời nhỏ nhả khỏi tuốc-bin để chúng có thể quay trơn tự do Bánh răng mặt trời lớn bị một phanh đai giữ lại nên không thể quay được Mỗi một trục bánh răng gây ra một loạt các vấn đề như vậy nhờ việc đóng ngắt ly hợp và các phanh

Trong hộp số này có hai chiếc đai Các phanh đai trong hộp số đều chế tạo từ thép và bao quanh gần hết vành ngoài của truyền động hành tinh và giữ chặt chúng với vỏ hộp số Chúng hoạt động được nhờ các xi-lanh thuỷ lực bên trong hộp số

Ở hình trên, bạn có thể thấy một trong những chiếc phanh đai bên trong vỏ hộp số Khi bánh răng được tháo ra ngoài, chiếc đòn bằng kim loại được nối với piston làm kích hoạt phanh đai

Nhìn hình trên bạn thấy có hai chiếc piston có thể dẫn động những chiếc đai Áp suất thuỷ lực làm những chiếc piston đẩy những chiếc đai khoá các bộ bánh răng với vỏ hộp số

Ly hợp trong hộp số là một cụm phức hợp Trong hộp số này có 4 ly hợp ma sát đĩa Mỗi một ly hợp ma sát đĩa được dẫn động bởi các piston bên trong ly hợp nhờ áp suất thuỷ lực Các lò xo giúp các đĩa ly hợp tách khỏi nhau khi áp suất thuỷ lực giảm đi Nhìn hình dưới đây bạn sẽ thấy piston và tang trống của ly hợp Chú ý vòng bao kín bằng cao su (rubber seal) của piston, đó là một trong những chi tiết cần thay thế khi và sửa chữa hộp số

Hình tiếp theo là cách sắp xếp các đĩa ma sát và các đĩa thép theo thứ tự Các đĩa ma sát nằm bên trong sẽ được nối với một trong các bánh răng còn các đĩa thép nằm bên ngoài thì bị khoá với

vỏ của hộp số Các đĩa ma sát cần được thay thế khi sửa chữa hộp số

Hộp số tự động trong xe của bạn cần phải làm hàng loạt công việc phức tạp Chúng ta khó có thể biết bao nhiêu thao tác khác nhau trong khi nó làm việc Tuy nhiên, những đặc điểm chính khi nó

- Nếu chiếc xe đang ở chế độ tăng tốc (chỉ với hộp số 4 tốc độ), hộp số sẽ tự động lựa chọn việc

ăn khớp bánh răng theo tốc độ xe và vị trí chân ga

- Nếu bạn tăng ga nhẹ nhàng, việc sang số sẽ xảy ra từ từ hơn là khi bạn nhấn mạnh bàn đạp ga

- Nếu bạn nhấc chân khỏi bàn đạp ga, hộp số sẽ tự động sang các số thấp hơn

- Nếu bạn đưa cần số về một số thấp hơn, hộp số sẽ chuyển về số thấp trừ khi chiếc xe đang chuyển động quá nhanh só với số đó Nếu tốc độ xe quá nhanh, nó sẽ đợi tốc độ chậm lại cho phù

- Nếu bạn đặt cần chọn số ở số 2, nó sẽ chỉ giảm hoặc tăng số đến số 2, ngay cả khi chiếc xe dừng hẳn, trừ khi bạn di chuyển cần số

Bạn đã bao giờ nhìn thấy những gì giống như thế này chưa? Đó thực sự là bộ não của hộp số tự động, nó điều hành tất cả các chức năng và hơn thế nữa Những đường rãnh dẫn dầu thuỷ lực đi tới rất nhiều vị trí khác nhau trong hộp số Các rãnh đúc chìm trong vật thể kim loại là những đường dẫn dầu hiệu quả nhất, nếu không có chúng, bao nhiêu đường ống có thể nối các phần trong hộp số tự động Đầu tiên chúng ta hãy bàn về các thành phần chủ yếu của hệ thống thuỷ lực, sau đó chúng ta xem chúng làm việc với nhau như thế nào Hộp số tự động có một chiếc bơm thuỷ lực,thường là kiểu bơm bánh răng Bơm này được lắp đặt ngay trên vỏ hộp số Nó hút dầu từ thùng chứa dưới đáy hộp số và đẩy dầu vào hệ thống thuỷ lực

Nó cũng cung cấp dầu cho hệ thống làm mát của hộp số và cả bộ biến mô-men

Bánh răng trong của bơm nối cùng với vỏ của bộ biến mô, vì vậy nó quay theo tốc độ của động

cơ Bánh răng ngoài bị quay theo bánh răng trong bằng các răng của nó, dầu thuỷ lực từ thùng chứa bị hút lên mặt bên này của khoảng không gian hình lưỡi liềm (hình trên) và đẩy dầu sang bên

Điều hành hệ thống dầu là một bộ điều chỉnh thông minh có thể báo cho hộp số biết chiếc xe đang

di chuyển nhanh hay chậm bao nhiêu Nó được nối với đầu ra của hộp số, vì vậy chiếc xe càng chuyển động nhanh thì bộ điều chỉnh cũng được quay nhanh Bên trong bộ điều chỉnh là một van

lò xo ép có thể mở tùy thuộc vào sự quay nhanh của bộ điều chỉnh, bộ điều chỉnh quay càng nhanh thì van mở càng lớn Đường dầu từ bơm lên bộ điều chỉnh được dẫn qua trục thứ cấp hộp

số

Chiếc xe càng chạy nhanh, van của bộ điều chỉnh càng mở to và áp suất của hệ thống thuỷ lực càng lớn

Để sang số thích hợp, hộp số tự động phải biết động cơ đang làm việc ở mức tải nào Có hai cách

để nhận biết điều này Một số chiếc xe có một chiếc cáp nối bướm ga động cơ với van tiết lưu ở hộp số Bạn càng nhấn sâu bàn đạp ga, áp suất tác dụng vào van tiết lưu càng lớn Những chiếc

xe khác sử dụng bộ van chân không để cung cấp áp suất cho van tiết lưu Van điều khiển vị trí cần chọn số cho biết vị trí đang đặt số Phụ thuộc vào số nào được sử dụng, van sẽ cung cấp theo đường dầu phù hợp Ví dụ, nếu cần số ở số 3, chiếc van sẽ cung cấp một vòng tuần hoàn để ngăn cản việc gài vào số khác Các van chuyển số cung cấp áp suất thuỷ lực cho ly hợp và các phanh đai để bó vào bánh răng Thân khối van thủy lựccủa hộp số có chứa vài chiếc van chuyển số Van chuyển số sẽ quyết định khi nào chuyển từ số này sang số khác Chúng được bơm cung cấp dầu và đẩy dòng dầu tới một trong hai mạch vòng để điều khiển bánh răng ở số cần sử dụng Van chuyển số sẽ ngăn việc sang số khi chiếc xe gia tốc quá nhanh Nếu chiếc xe tăng tốc nhẹ nhàng, việc sang số sẽ xuất hiện ở một tốc độ thấp hơn Hãy xem điều gì xảy ra khi chiếc xe tăng tốc nhẹ nhàng