Đồ án nghiên cứu hệ thống điều khiển hộp số tự động toyota a140e

Do đó phần thuyết minh của chúng em sẽ nói chủ yếu vào phần điều khiển điện tử của mô hình gồm các nội dung chính như xây dựng mô hình điều khiển hộp số tự động A140E và cải tiến và nâng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Giảng viên hướng dẫn: Th.S Thái Huy Phát

1 Tên đề tài: NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH

HỘP SỐ TỰ ĐỘNG TOYOTA A140E

2 Các số liệu, tài liệu ban đầu:

- Kế thừa từ đồ án trước

- Tài liệu hộp số tự động điều khiển bằng điện tử

3 Nội dung thực hiện đề tài:

- Tổng quan về đề tài nghiên cứu

- Cơ sở lý thuyết về hộp số tự động A140E

- Giới thiệu mô hình hộp số tự động A140E

- Nghiên cứu phương pháp điều khiển mô hình hộp số tự động A140E

- Nghiên cứu cải tiến mô hình tiền nhiệm

- Hướng dẫn thực hiện mô hình

- Tạo tài liệu giảng dạy cho sinh viên

- Tổng kết, kiến nghị về đề tài

4 Sản phẩm của đề tài:

- Mô hình hộp số A140E

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

*******

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Ngành: Công nghệ kỹ thuật ô tô

Tên đề tài: NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH HỘP SỐ

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng 07 năm 2019

Giáo viên hướng dẫn

(ký & ghi rõ họ tên)

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

*******

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Ngành: Công nghệ kỹ thuật ô tô

Tên đề tài: NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH HỘP SỐ

Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến:

 Thầy THÁI HUY PHÁT – Giảng viên hướng dẫn Đã tận tình giúp đỡ chúng em hoàn thành đề tài

 Tập thể quý Thầy Cô Khoa Cơ Khí Động Lực cùng toàn thể quý Thầy Cô Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh đã giúp đỡ chúng em có được những kiến thức chuyên môn cần thiết để hoàn thành tốt chương trình học Đại Học

Thời gian làm đề tài tốt nghiệp vừa qua thực sự là khoảng thời gian giúp chúng

em ôn tập và củng cố lại các kiến thức các kiến thức đã được các thầy cô truyền đạt, bên cạnh đó tích lũy thêm các kiến thức mới

Trong quá trình làm đề tài, do hạn chế trong kinh nghiệm và trình độ chuyên môn, thời gian thực hiện có hạn nên sai sót là không thể tránh khỏi nên nhóm rất mong sẽ nhận được sự đóng góp ý kiến của Thầy Cô và các bạn

Sau cùng, nhóm chúng em xin kính chúc quý Thầy Cô dồi dào sức khoẻ, giữ vững niềm tin để tiếp tục thực hiện sứ mệnh truyền đạt tri thức cho các thế hệ mai sau

Trân trọng!

Tp Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2019 Nhóm sinh viên thực hiện

Lê Trọng Trí

Lê Đặng Tấn Sang

TÓM TẮT

Trong thời đại Công nghiệp 4.0, nền công nghiệp Việt Nam cũng đang đứng trước nhiều khó khăn, thử thách đồng thời cũng có nhiều cơ hội tiềm năng Ngành ô tô là một trong những ngành trọng điểm của nền công nghiệp Việt Nam Với sự phát triển mạnh

mẽ của tin học trong vai trò dẫn đường, quá trình tự động hóa đã đi sâu vào các ngành sản xuất và các sản phẩm của chúng, một trong số đó là ô tô, không chỉ làm cho người

sử dụng cảm thấy thoải mái, gần gũi với chiếc xe của mình, thể hiện phong cách của người sở hữu chúng Mà sự tự động hóa còn nâng cao hệ số an toàn trong sử dụng Đây

là lý do tại sao các hệ thống tự động luôn được trang bị cho dòng xe cao cấp và dần áp dụng cho các loại xe thông dụng Gần đây một hãng xe được làm bởi người Việt đã ra đời VINFAST cho thấy nền công nghiệp ô tô có dấu hiệu của sự phát triển vượt bậc Vì vậy chúng ta cần một nguồn nhận lực dồi dào năm vững kiến thức để có thể hội nhập với thế giới

Chúng em chọn đề tài: “Nghiên cứu phương pháp điều khiển mô hình hộp số tự

động Toyota A140E.” với hy vọng rằng mô hình này có thể giúp sinh viên nắm rõ

nguyên lý hoạt động của hộp số đồng thời suy nghĩ hướng phát triển mới cho hệ thống điều khiển hộp số Góp phần nâng cao chất lượng sinh viên đầu ra để phục vụ cho sự phát triển của nền công nghiệp Ô tô hiện đại

Với thời gian gần 4 tháng nghiên cứu và thi công thiết kế mô hình, chúng em đã hoàn thành được nhiệm vụ đề tài đặt ra Sản phẩm hoàn thiện gồm:

 Một mô hình hộp số tự động A140E hoàn chỉnh có khả năng vận hành hiển thị đầy đủ thông tin trên bảng điều khiển

 Một tập thuyết minh, nội dung được thể hiện rõ qua 6 chương gồm:

o CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

o CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HỘP SỐ TỰ ĐỘNG A140E

o CHƯƠNG 3: NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH HỘP SỐ TỰ ĐỘNG

Mô hình sẽ gồm 2 phần chính đó là cơ khí và điện tử tương đương với hai đề tài

là “Thi công mô hình hộp số tự động A140E” và “Nghiên cứu phương pháp điều khiển hộp số tự động A140E” Do đó phần thuyết minh của chúng em sẽ nói chủ yếu vào phần điều khiển điện tử của mô hình gồm các nội dung chính như xây dựng mô hình điều khiển hộp số tự động A140E và cải tiến và nâng cấp hệ thống điều khiển đã có

Mặc dù chúng em đã nổ lực hết mình để hoàn thiện đề tài, nhưng quãng thời gian gần 4 tháng cho đề tài của chúng em là khá ít Vì thế đề tài sẽ không tránh khỏi những thiếu sót, kính mong quý Thầy, Cô và các bạn sinh viên thông cảm và góp ý, để đề tài chúng em được hoàn thiện Chúng em Lê Trọng Trí và Lê Đặng Tấn Sang, xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1

1.1 Lý do hình thành đề tài 1

1.2 Mục tiêu đề tài 1

1.3 Đối tượng nghiên cứu 2

1.4 Phạm vi đề tài 2

1.5 Nội dung đề tài 2

1.6 Phương pháp nghiên cứu 2

TỔNG QUAN VỀ HỘP SỐ TỰ ĐỘNG TOYOTA A140E 3

2.1 Tổng quan về hộp số tự động 3

2.2.1 Giới thiệu về hộp số tự động A140E 9

2.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hộp số tự động Toyota A140E 11

2.3.1 Các cụm chi tiết chính trong hộp số tự động A140E 11

2.3.2 Sơ đồ kết cấu của hộp số tự động A140E 21

2.3.3 Hoạt động các tay số 25

Nguyên lý điều khiển mô hình hộp số tự động 32

3.1 Cơ sở lý thuyết về nguyên lý điều khiển mô hình hộp số tự động A140E 32

3.1.1 Hệ thống điều khiển thủy lực 32

3.1.2 Hệ thống điều khiển điện tử 42

3.1.3 Điều khiển thời điểm chuyển số 58

3.2 Hệ thống điều khiển hộp số tự động trên mô hình A140E 61

3.2.1 Thiết kế lưu đồ điều khiển mô hình hộp số tự động 61

3.2.2 Ứng dụng thuật toán Fuzzy điều khiển mô hình hộp số tự động A140E 68

3.2.3 Viết chương trình điều khiển mô hình hộp số tự động A140E 79

Thi công lắp ráp hệ thống điều khiển hộp số tự động A140E 84

4.1 Ý tưởng thiết kế hệ thống điều khiển hộp số tự động A140E 84

4.1.1 Giới thiệu về mô hình điều khiển hộp số tự động A140E 84

4.1.2 Ý tưởng thiết kế hệ thống điều khiển trên mô hình 85

4.1.3 Thiết kế bảng hiển thị cho mô hình: 85

4.2 Thi công phần điều khiển điện tử cho mô hình hộp số tự động 87

4.2.1 Tên gọi và chức năng của bộ phận điều khiển 87

4.2.2 Thi công mạch điện cho mô hình 94

4.3 Nguyên lý hoạt động của mô hình 98

Vận hành và Ứng dụng 101

5.1 Vận hành mô hình 101

5.1.1 Giới thiệu mô hình 101

5.1.2 Lưu ý trước khi vận hành 102

5.1.3 Vận hành mô hình 102

5.2 Ứng dụng của mô hình 109

5.2.1 Bài thực hành số 1 109

5.2.2 Bài thực hành số 2 114

Kết luận và kiến nghị 119

6.1 Kết luận 119

6.2 Kiến nghị 119

TÀI LIỆU THAM KHẢO 121

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Ký hiệu và

ECT Electronic Control Transmission Hộp số điều khiển điện tử

TPS Throttle Position Sensor Cảm biến vị trí bướm ga

CVT Continuosly Variable Transmission Hộp số vô cấp

ATF Automatic Transmission Fluid Dầu hộp số tự động

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Bảng thông số của hộp số A140E 10

Bảng 2.2 Bảng chế độ hoạt động của bộ bánh răng hành tinh 13

Bảng 2.3 Hoạt động của các cơ cấu tại vị trí số 26

Bảng 2.4 Chức năng của các chi tiết của bộ bánh răng hành tinh 27

Bảng 3.1 Bảng hoạt động của công tắc vị trí trung gian 54

Bảng 3.2 Hoạt động của công tắc O/D 55

Bảng 3.3 Mức điện áp khi hoạt động của công tắc 57

Bảng 3.4 Điện áp hoạt động của công tắc chọn chế độ 58

Bảng 3.5 Thời điểm lên xuống số 60

Bảng 3.6 Phép toán logic truyền thống 70

Bảng 3.7 Phép toán fuzzy 70

Bảng 3.8 Bảng giá trị về phép toán fuzzy logic 71

Bảng 4.1 Bảng thông số chi tiết của Arduino Mega 2560 89

Bảng 4.2 Thông số motor điện 90

Bảng 5.1 Thông số kỹ thuật của hộp số trên mô hình 110

Bảng 5.2 Bảng tên gọi các bộ phận trong sơ đồ khối 111

Bảng 5.3 Thông số kỹ thuật của hộp số trên mô hình 115

Bảng 5.4 Các mức tải của cảm biến tạo tải 116

Bảng 5.5 Vận tốc lên số khi thay đổi tải 117

Bảng 5.6 Vận tốc xuống số khi thay đổi tải 117

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1 Phân loại hộp số tự động theo hệ thống điều khiển 5

Hình 2.2 Sơ đồ vị trí của hộp số tự động trên xe 6

Hình 2.3 Hộp số tự động có cấp 7

Hình 2.4 Hộp số tự động CVT 8

Hình 2.5 Dòng truyền công suất trên xe có sử dụng hộp số tự động 9

Hình 2.6 Cấu tạo biến mô 11

Hình 2.7 Bộ bánh răng hành tinh thứ nhất 12

Hình 2.8 Cấu tạo của bộ bánh răng hành tinh 12

Hình 2.9 Hoạt động của bánh răng hành tinh khi giảm tốc 13

Hình 2.10 Hoạt động của bánh răng hành tinh khi đảo chiều 13

Hình 2.11 Hoạt động của bánh răng hành tinh khi nối trực tiếp 13

Hình 2.12 Hoạt động của bánh răng hành tinh khi tăng tốc 14

Hình 2.13 Hoạt động của phanh dải 15

Hình 2.14 Phanh loại nhiều đĩa ướt 16

Hình 2.15 Hoạt động của phanh loại nhiều đĩa ướt 17

Hình 2.16 Ly hợp C1 và C2 18

Hình 2.17 Hoạt động của ly hợp lúc bình thường và ăn khớp, nhả khớp 18

Hình 2.18 Ly hợp một chiều 20

Hình 2.19 Hệ thống điều khiển thủy lực 20

Hình 2.20 Các bộ phận điều khiển điện tử của mô hình 21

Hình 2.21 Kết cấu mặt cắt dọc hộp số tự động A140E 22

Hình 2.22 Sơ đồ nguyên lý hộp số tự động A140E 23

Hình 2.23 Sơ đồ khối hoạt động của hộp số tự động A140E 24

Hình 2.24 Mặt cắt của hộp số A140E 25

Hình 2.25 Sơ đồ khối bộ 3 bánh răng hành tinh của hộp số A140E 25

Hình 2.26 Hoạt động của tay số 1 tại vị trí “D” và “2” 28

Hình 2.27 Hoạt động của số 2 tại vị trí “D” 28

Hình 2.28 Hoạt động của số 3 tại vị trí D 29

Hình 2.29 Mô hình hoạt động ở dãy “D” số truyền tăng OD 29

Hình 2.30 Mô hình hoạt động ở dãy “2” số 2 30

Hình 2.31 Mô hình hoạt động ở dãy “L” số 1 30

Hình 2.32 Mô hình hoạt động ở dãy “R” 31

Hình 3.1 Mạch dầu trong hộp số A140E 32

Hình 3.2 Hệ thống điều khiển thủy lực 33

Hình 3.3 Bơm dầu của hộp số 34

Hình 3.4 Thân van của hộp số tự động 35

Hình 3.5 Van điều áp sơ cấp 35

Hình 3.6 Van điều khiển 36

Hình 3.7 Van chuyển số 1-2 37

Hình 3.8 Van điện từ 38

Hình 3.9 Sơ đồ hoạt động của van điện từ và van chuyển số ở vị trí số 1 39

Hình 3.10 Chuyển số tại số 2 của van điện từ và van chuyển số 40

Hình 3.11 Chuyển số tại vị trí số 3 của van điện từ và van chuyển số 41

Hình 3.12 Chuyển số OD của van điện từ và van chuyển số 42

Hình 3.13 Hệ thống điều khiển điện tử trên mô hình 43

Hình 3.14 Các bộ phận của hệ thống điều khiển điện tử trên xe 44

Hình 3.15 Cảm biến vị trí cánh bướm ga 45

Hình 3.20 Các tín hiệu tốc độ đều giống nhau 49

Hình 3.21 Các tín hiệu tốc độ khác nhau 49

Hình 3.22 Cảm biến tốc độ loại điện từ 50

Hình 3.23 Cấu tạo của cảm biến tốc độ loại điện từ 51

Hình 3.24 Nguyên lý hoạt động của cảm biến 51

Hình 3.25 Sơ đồ mạch điện của cảm biến tốc độ loại điện từ 52

Hình 3.26 Sơ đồ mạch điện của cảm biến 52

Hình 3.27 Công tắc khởi động trung gian 54

Hình 3.28 Khi O/D tắt OFF 55

Hình 3.29 Khi O/D bật ON 56

Hình 3.30 Công tắc đèn phanh 56

Hình 3.31 Công tắc chọn phương thức lái 57

Hình 3.32 Hệ thống điều khiển thời điểm chuyển số 58

Hình 3.33 Sơ đồ chuyển số của hộp số 59

Hình 3.34 Sơ đồ chuyển số ở chế độ tải nặng và tải nhẹ 61

Hình 3.35 Lưu đồ chọn dải số 62

Hình 3.36 Lưu đồ chuyển số dải D 63

Hình 3.37 Lưu đồ lên số dải D 63

Hình 3.38 Lưu đồ xuống số dải D 64

Hình 3.39 Lưu đồ chuyển số dải 2 65

Hình 3.40 Lưu đồ lên số tại dải 2 65

Hình 3.41 Lưu đồ xuống số tại dải 2 66

Hình 3.42 Lưu đồ chuyển số tại dải L 66

Hình 3.43 Lưu đồ lên số tại dải L 67

Hình 3.44 Lưu đồ xuống số tại dải L 67

Hình 3.45 Tập truyền thống 68

Hình 3.46 Tập fuzzy 69

Hình 3.47 Hàm tính thành viên 69

Hình 3.48 Hàm thành viên tập fuzzy A,B 72

Hình 3.49 Kết quả đầu ra của fuzzy 72

Hình 3.50 Sơ đồ chuyển số 74

Hình 3.51 Bộ điều khiển sang số bằng fuzzy logic 75

Hình 3.52 Khối hàm tính thành viên Alpha 75

Hình 3.53 Hàm tính thành viên Speed 76

Hình 3.54 Hàm tính thành viên Gear 77

Hình 3.55 Thiết lập điều khiển 78

Hình 3.56 Kết quả đầu ra 79

Hình 3.57 Giao diện fuzzy logic 80

Hình 3.58 Giao diện fuzzy logic với 2 tín hiệu đầu vào 80

Hình 3.59 Giao diện fuzzy logic với tín hiệu đầu vào đầu ra đã đổi tên 81

Hình 3.60 Giao diện khối Alpha 81

Hình 3.61 Giao diện khối Speed 82

Hình 3.62 Giao diện khối Gear 82

Hình 3.63 Giao diện khối Gear 83

Hình 3.64 Kết quả tập fuzzy đầu ra 83

Hình 4.1 Bảng điều khiển và hiển thị của mô hình 86

Hình 4.2 Mô-tơ Điện 90

Hình 4.3 Bộ biến áp 91

Hình 4.8 Cụm 7 van điện từ 93

Hình 4.9 Đồng hồ báo áp suất khí nén 94

Hình 4.10 Mô hình hoàn thiện phần cơ khí 95

Hình 4.11 Thi công điều khiển điện tử cho mô hình hộp số tự động 96

Hình 4.12 Mạch điện điều khiển chính của mô hình 97

Hình 4.13 Sơ đồ khối hoạt động của mô hình hộp số tự động A140E 99

Hình 5.1 Mô hình điều khiển hộp số tự động A140E 101

Hình 5.2 Mô hình đang vận hành ở tay số N 102

Hình 5.3 Mô hình đang vận hành ở số 1 của dãy số D 103

Hình 5.4 Mô hình đang vận hành ở số 2 của dãy số D 103

Hình 5.5 Mô hình đang vận hành ở số 3 của dãy số D 104

Hình 5.6 Mô hình đang vận hành ở số 4 của dãy số D (Số truyền tăng OD) 104

Hình 5.7 Mô hình đang vận hành ở số 3 của dãy số D (OD OFF) 105

Hình 5.8 Mô hình đang vận hành ở số 1 của dãy số 2 105

Hình 5.9 Mô hình đang vận hành ở số 2 của dãy số 2 106

Hình 5.10 Mô hình đang vận hành ở số 3 của dãy số 2 106

Hình 5.11 Mô hình đang vận hành ở số 1 của dãy số L 107

Hình 5.12 Mô hình đang vận hành ở số 2 của dãy số L 107

Hình 5.13 Mô hình đang vận hành ở tay số R 108

Hình 5.14 Mô hình đang vận hành ở tay số P 108

Hình 5.15 Sơ đồ khối hoạt động của hộp số tự động A140E 111

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1.1 Lý do hình thành đề tài

Ngày nay lĩnh vực khoa học kỹ thuật phát triển nhanh chóng và gần như chiếm lĩnh tất cả các mặt của đời sống xã hội Nhiều sản phẩm công nghệ ra đời với thiết kế nhỏ, tích hợp nhiều chức năng như vi xử lý, vi điều khiển đã được sử dụng hầu hết trong các hệ thống điều khiển công nghiệp và các thiết bị dân dụng với nhiều ưu điểm mà chúng dần dần phát triển thay thế nhằm giảm bớt sức lao động của con người

Cùng với sự phát triển đó thì ngành công nghiệp ô tô đã có những thay đổi về mặt

kỹ thuật, điển hình là thay đổi về hộp số tự động trên xe, nó giảm mệt mỏi cho người lái

xe và tính an toàn hơn Với mục đích đó thì lĩnh vực điện-điện tử đã được ứng dụng trên

ô tô rất thành công, nó gồm một bộ xử lý trung tâm (hay còn gọi là ECU) với những thông tin thu thập được từ các cảm biến gửi về ECU và ECU sẽ tính toán những dữ liệu nhập vào để điều khiển các chức năng chấp hành Giúp ô tô hoạt động tốt, tiết kiệm nhiên liệu và giảm thiểu khí thải độc hại

Chúng ta biết ngày nay hộp số tự động được sử dụng hầu hết trên các xe du lịch, bán tải và cả xe tải nặng Vì hộp số tự động có thể cung cấp các tỷ số truyền thích hợp với điều kiện tải trọng của ô tô dựa trên hai tín hiệu hai đầu vào cơ bản là: Tốc độ động

cơ và tải động cơ ECU động cơ sẽ dựa trên cơ sở hai cảm biến này và các cảm biến khác

để điều khiển hộp số tự động tự chọn tỷ số truyền thích hợp và điều khiển chuyển số êm dịu Tuy nhiên với kết cấu phức tạp của hộp số tự động nên việc học, nghiên cứu và sửa chữa là rất khó khăn Để hiểu rõ bản chất cũng như nguyên lý hoạt động của hộp số từ

đó giải thích nguyên nhân hư hỏng tìm ra hướng khắc phục sửa chữa nó nhóm em chọn

- Điều khiển được hộp số tự động A140E hoạt động đúng nguyên lý

- Hiển thị các thông số cho người vận hành mô hình xem rõ ràng

1.3 Đối tượng nghiên cứu

Hộp số tự động Toyota A140E

1.4 Phạm vi đề tài

Nghiên cứu về phương pháp điều khiển hộp số tự động Toyota A140E

1.5 Nội dung đề tài

Nội dung nghiên cứu được trình bày qua 6 chương sau:

- CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

- CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HỘP SỐ TỰ ĐỘNG TOYOTA A140E

- CHƯƠNG 3: NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH HỘP SỐ TỰ ĐỘNG TOYOTA A140E

- CHƯƠNG 4: THI CÔNG LẮP RÁP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN HỘP SỐ TỰ ĐỘNG TOYOTA A140E

- CHƯƠNG 5: VẬN HÀNH VÀ ỨNG DỤNG

- CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

1.6 Phương pháp nghiên cứu

- Dựa vào cơ sở lý thuyết đã có để tìm hiểu và xây dựng một phương pháp điều khiển hoàn chỉnh

- Phương pháp thu thập thông tin

- Phương pháp nghiên cứu tài liệu

- Phương pháp thực nghiệm

TỔNG QUAN VỀ HỘP SỐ TỰ ĐỘNG TOYOTA A140E

2.1 Tổng quan về hộp số tự động

2.1.1 Lịch sử phát triển hộp số tự động

Ngay từ những năm 1900, ý tưởng về một loại hộp số tự động chuyển số đã được các kỹ sư hàng hải Đức nghiên cứu chế tạo Đến năm 1938, hộp số tự động đầu tiên ra đời khi hãng GM giới thiệu chiếc Oldsmobile được trang bị hộp số tự động Việc điều khiển ô tô được đơn giản hóa bởi không còn bàn đạp ly hợp Tuy nhiên do chế tạo phức tạp và khó bảo dưỡng sửa chữa nên nó ít được sử dụng

Đến những năm 70 Hộp số tự động thực sự hồi sinh khi hàng loạt hãng ô tô cho

ra các loại xe mới với hộp số tự động đi kèm Từ đó đến nay hộp số tự động đã phát triển không ngừng và dần thay thế cho hộp số thường Khi mới ra đời, hộp số tự động là loại

có cấp và được điều khiển hoàn toàn bằng thủy lực Để chính xác hóa thời điểm chuyển

số và để tăng tính an toàn khi sử dụng, hộp số tự động có cấp điều khiển bằng điện tử (ECT) ra đời vẫn chưa hài lòng với các cấp tỷ số truyền của ECT, các nhà sản xuất ô tô

đã nghiên cứu, chế tạo thành công một loại hộp số tự động với vô số cấp tỷ số truyền (hộp số tự động vô cấp) vào những năm cuối của thế kỷ XX cụ thể như sau:

- Hộp số tự động (HSTD), theo công bố của tài liệu công nghiệp ô tô CHLB Đức,

ra đời vào 1934 tại hãng Chysler Ban đầu HSTD sử dụng Ly hợp thủy lực và Hộp số hành tinh, điêu khiển hoàn toàn bằng van con trượt thủy lực, sau đó chuyển sang dùng Biến mômen thủy lực đến ngày nay, tên gọi ngày nay dùng là AT

- Sau năm 1978 chuyển sang loại HSTD kiểu EAT (điều khiển chuyển số bằng thủy lực điện tử), loại này ngày nay đang sử dụng

- Một loại HSTD khác là hộp số vô cấp sử dụng bộ truyền đai kim loại (CVT) với các hệ thống điều khiển chuyển số bằng thủy lực điện tử (cũng là một dạng HSTD)

- Ngày nay đã bắt đầu chế tạo các loại truyền động thông minh, cho phép chuyển

số theo thói quen lái xe (thay đổi tốc độ của động cơ bằng chân ga) và tình huống mặt đường, HSTD có 8 số truyền Hệ thống truyền lực sử dụng HSTD được gọi là hệ thống truyền lực cơ khí thủy lực điện tử, là khu vực có nhiều ứng dụng của kỹ thuật cao, sự phát triển rất nhanh chóng, chẳng hạn, gần đây xuất hiện loại hộp số có khả năng làm việc theo hai phương pháp chuyển số: bằng tay, hay tự động tùy thuộc vào ý thích của người sử dụng

Hiện nay để đáp ứng nhu cầu của khách hàng và để tăng tính an toàn khi sử dụng, các nhà chế tạo đã cho ra đời loại hộp số điều khiển bằng điện tử có thêm chức năng sang số bằng cần như hộp số thường

2.1.2 Ưu và nhược điểm của hộp số tự động

Ưu điểm:

- Giảm mệt mỏi cho lái xe bằng cách loại bỏ các thao tác cắt ly hợp và thường xuyên phải chuyển số

- Chuyển số một cách tự động và êm dịu tại các tốc độ thích họp với chế độ lái xe

do vậy giảm bớt cho lái xe sự cần thiết phải thành thạo các kĩ thuật lái xe khó khăn và phức tạp như vận hành ly hợp

- Tránh cho động cơ và dòng dẫn động được tình trạng quá tải do nó nối chung bằng thủy lực qua biến mô tốt hơn so với nối bằng cơ khí

- Hộp số tự động dùng ly hợp thủy lực hoặc biến mô thủy lực việc tách nối công suất từ động cơ đến hộp số nhờ sự chuyển động của dòng thủy lực từ cánh bơm sang tua bin mà không qua một cơ cấu cơ khí nào nên không có sự ngắt quãng dòng công suất vì vậy đạt hiệu suất cao (98%)

- Thời gian sang số và hành trình tăng tốc nhanh

- Không bị va đập khi sang số, không cần bộ đồng tốc

Nhược điểm:

- Kết cấu phức tạp hơn hộp số cơ khí

- Tốn nhiều nhiên liệu hơn hộp số cơ khí

- Biến mô nối động cơ với hệ thống truyền động bằng cách tác động dòng chất lỏng từ mặt này sang mặt khác trong hộp biến mô, khi vận hành có thể gây ra hiện tượng

“ Trượt” hiệu suất sử dụng năng lượng bị giảm, đặc biệt là ở tốc độ thấp

2.1.3 Phân loại hộp số tự động

Có nhiều cách phân loại hộp số tự động

Phân loại heo hệ thống sử dụng điều khiển

Theo hệ thống sử dụng điều khiển hộp số tự động có thể chia thành hai loại, chúng khác nhau về hệ thống sử dụng để điều khiển chuyển số và thời điểm khóa biến mô Một loại là điều khiển bằng thủy lực hoàn toàn, nó chỉ sử dụng hệ thống thủy lực để điều khiển và loại kia là loại điều khiển điện, dùng ngay các chế độ được thiết lập trong ECU (Electronic Controlled Unit: bộ điều khiển điện tử) để điều khiển chuyển số và khóa biến

mô, loại này bao gồm cả chức năng chẩn đoán và dự phòng, còn có tên gọi khác là ECT (Electronic Controlled Transmission: hộp số điều khiển điện)

a Hộp số tự động điều khiển bằng thủy lực

b Hộp số tự động điều khiển bằng

Phân loại theo vị trí đặt trên xe

Ngoài phân loại theo cách điều khiển thủy lực hay điều khiển điện hộp số tự động còn được phân loại theo vị trí đặt trên xe Loại dùng cho các xe động cơ đặt trước - cầu trước chủ động và động cơ đặt trước - cầu sau chủ động (hình 2.2) Các hộp số được sử dụng trên xe động cơ đặt trước - cầu trước chủ động thiết kế gọn nhẹ hơn so với loại lắp trên xe động cơ đặt trước - cầu sau chủ động do chúng được lắp đặt trong khoang động

cơ nên bộ truyền động bánh răng cuối cùng (vi sai) lắp ở ngay trong hộp số, còn gọi là

“hộp số có vi sai” Hộp số sử dụng cho xe động cơ đặt trước - cầu sau chủ động có bộ truyền động bánh răng cuối cùng (vi sai) lắp ở bên ngoài

Cả hai loại động cơ đặt trước - cầu trước chủ động và động cơ đặt trước - cầu sau chủ động đều được xây dựng và phát triển trên các dòng xe du lịch đầu tiên khi yêu cầu

tự động hóa cho xe ôtô phát triển, nhưng hiện nay hộp số tự động còn được dùng cho cả

xe tải và xe có hai cầu chủ động hay xe sử dụng ở địa hình không có đường đi

a- Dẫn động cầu trước; b- Dẫn động cầu sau;

1- Mặt trước; 2- Cụm cầu và hộp số tự động; 3- Trục dẫn động; 4- Hộp số tự

động; 5- Trục các đăng; 6- Truyền động cuối cùng của visai

Hình 2.2 Sơ đồ vị trí của hộp số tự động trên xe

Phân loại theo tỷ số truyền

Hộp số tự động có cấp: Ngoài cách phân loại trên còn có một số cách phân loại

khác như theo cấp số tiến của hộp số có được đa phần hộp số tự động có 4 cấp và một

số nhà sản xuất đang chuyển dần sang hộp số thế hệ mới 5 cấp, 6 cấp Và hiện nay số cấp mà hộp số tự động có được cao nhất là 8 cấp, theo thông tin từ hãng xe đến từ Mỹ thì vào cuối năm 2017 Ford F-150 2017 sẽ được trang bị hộp số tự động 10 cấp

Hình 2.3 Hộp số tự động có cấp Hộp số tự động vô cấp: Một kiểu hộp số tự động khác hiện đang dần được ứng

dụng rộng rãi là hộp số tự động vô cấp CVT Loại hộp số này sử dụng đai truyền bằng kim loại hay cao su công suất cao và một hệ gồm 2 pulley với đường kính thay đổi để mang lại tỷ số truyền khác nhau, như loại hộp số MMT (Multi-Matic Transmission) lắp trên mẫu Civic của Honda hay trên mẫu Lancer Gala của Mitsubishi Với loại hộp số này, tỷ số truyền được thay đổi tùy thuộc vào vòng tua của động cơ cũng như tải trọng

Hình 2.4 Hộp số tự động CVT

Nguyên lý làm việc chung của hộp số tự động

Dòng công suất truyền từ động cơ qua biến mô đến hộp số và đi đến hệ thống truyền động sau đó (hình 2.5), nhờ cấu tạo đặc biệt biến mô vừa đóng vai trò là một khớp nối thủy lực vừa là một cơ cấu an toàn cho hệ thống truyền lực, cũng vừa là một bộ phận khuếch đại mômen từ động cơ đến hệ thống truyền lực phía sau tùy vào điều kiện sử dụng

Hộp số không thực hiện truyền công suất đơn thuần bằng sự ăn khớp giữa các bánh răng mà còn thực hiện truyền công suất qua các ly hợp ma sát, để thay đổi tỷ số truyền và đảo chiều quay thì trong hộp số sử dụng các phanh và cơ cấu hành tinh đặc biệt với sự điều khiển tự động bằng thủy lực hay điện tử

Trên thị trường hiện nay có nhiều loại hộp số tự động, phát triển theo xu hướng nâng cao sự chính xác và hợp lý hơn trong quá trình chuyển số, kèm theo là giá thành và công nghệ sản xuất, tuy nhiên chức năng cơ bản và nguyên lý hoạt động là giống nhau Trong hộp số tự động sự vận hành tất cả các bộ phận và kết hợp vận hành với nhau ảnh hưởng đến toàn bộ hiệu suất làm việc của cả hộp số tự động nên yêu cầu về tất cả các cụm chi tiết hay bộ phận cấu thành nên hộp số điều có yêu cầu rất khắt khe về thiết kế cũng như chế tạo

Hình 2.5 Dòng truyền công suất trên xe có sử dụng hộp số tự động

2.2 Tổng quan hộp số tự động A140E

2.2.1 Giới thiệu về hộp số tự động A140E

Được phát triển dựa trên những phiên bản hộp số tự động đã được chế tạo trước

đó và đưa vào sử dụng lần đầu tiên vào năm 1984 lắp trên dòng xe Camry của Toyota Dòng hộp số tự động A140E đã thể hiện được những gì mà nhà thiết kế của Toyota mong đợi Không những nâng cao vị thế của dòng xe này trên thị trường xe cao cấp mà còn giúp Toyota khẳng định vị thế của mình trước các hãng xe lớn khác như Ford, GM,

số cho người lái, hoạt động của động cơ sẽ ổn định hơn, tiêu hao nhiên liệu sẽ giảm đi kèm với ô nhiễm do ôtô sản sinh cũng sẽ giảm và đặc biệt hơn là trước khi hộp số A140E

ra đời các tỷ số truyền tăng chỉ được thiết kế cho xe ôtô sử dụng hộp số điều khiển cơ khí Điều này giúp cho dòng xe Camry khẳng định vị thế của mình trước các đối thủ và TOYOTA cũng đã kiếm được một lợi tức khổng lồ do dòng xe này đem lại vào thời điểm lúc bấy giờ

Các dãy số trong hộp số tự động A140E:

- “P”: Sử dụng khi xe đỗ

- “N”: Vị trí trung gian sử dụng khi xe dừng tạm thời động cơ vẫn hoạt động

- “R”: Sử dụng khi lùi xe

- “D”: Sử dụng khi cần chuyển số một cách tự động

- “2”: Sử dụng khi chạy ở đường bằng

- “L”: Sử dụng khi xe chạy ở đoạn đèo dốc

Bảng 2.1 Bảng thông số của hộp số A140E

Tỷ số truyền:

1st Gear

2nd Gear

3rd Gear O/D Gear Reverse Gear

2.810 1.549 1.000 0.706 2.296

2.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hộp số tự động Toyota A140E

2.3.1 Các cụm chi tiết chính trong hộp số tự động A140E

Biến mô

Bộ biến mô vừa truyền vừa khuyết đại mô men từ động cơ vào hộp số ( Bộ truyền bánh răng hành tinh) bằng việc sử dụng dầu hộp số tự động (ATF) như một môi chất Bộ biến mô gồm bánh bơm, bánh tuabin, khớp một chiều, stato và vỏ biến mô chứa tất cả các bộ phận đó Bộ biến đổi đó được đổ đầy ATF do bơm dầu cung cấp Động cơ quay

và bánh bơm quay, và dầu bị đẩy ra từ bánh bơm thành một dòng mạnh làm quay bánh tua bin

Hình 2.6 Cấu tạo biến mô

được gọi là các bánh răng hành tinh Thông thường nhiều bánh răng hành thinh được phối hợp với nhau trong bộ truyền bánh răng hành tinh

Hình 2.7 Bộ bánh răng hành tinh thứ nhất

Nguyên lý vận hành: 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

Hình 2.8 Cấu tạo của bộ bánh răng hành tinh

Cụ thể ta có thể tham khảo ở bảng sau:

Bảng 2.2 Bảng chế độ hoạt động của bộ bánh răng hành tinh

Đầu vào: Bánh răng mặt trời

Đầu ra: Bánh răng bao

- 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 pittong phanh qua cần đẩy pittong chuyển động bằng áp suất thủy lực Pittong phanh có thể chuyển động trên cần đẩy pittong nhờ việc nén các lò xo

Hình 2.13 Hoạt động của phanh dải

Khi áp suất thủy lực tác động lên pittong thì pittong di chuyển sang phía trái trong

xi lanh và nén các lò xo Cần đẩy pittong chuyển sang bên trái cùng với pittong và đẩy một đầu của dải phanh Do đầu kia của dải phanh bị cố định vào vỏ hộp số nên đường kính của dải phanh fiamr xuồn và dải phanh xiết vào trống làm cho nó không chuyển động được 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 loại nhiều đĩa ướt (B2, B3 và B0)

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 đưuọc cố định vào vỏ hộp số

Hình 2.14 Phanh loại nhiều đĩa ướt

Hoạt động của phanh kiểu nhiều đĩa ướt (B2, B3 Và B0)

Khi áp suất thủy lực tác động lên xi lanh pit-tông sẽ dịch chuyển và ép các đĩa thép và đĩa ma sát Kết quả là cần dẫn hoặc bánh răng mặt trời bị khóa 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

Hình 2.15 Hoạt động của phanh loại nhiều đĩa ướt

Ly hợp nhả khớp khi áp suất của dầu được xả thì áp suất dầu trong xi lanh giảm xuống Điều này cho phép viên bi rời khỏi van một chiều nhờ lực li tâm tác động lên nó,

và trong xi lanh được cả ra ngoài qua van một chiều Kết quả pit tông trở lại vị trí ban đầu nhờ lo xo hồi

Khớp một chiều

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

số thì B2, F1, F2 và F0 là không cần thiết Chỉ cần C0, C1, C2, B0, B1, B3 là đủ Ngoài

ra, rất khó thực hiện việc áp suất thủy lực tác động lên phanh đúng vào thời điểm áp suất thủy lực vận hành li hợp được xả Do đó, khớp một chiều số 1 (F1) tác động qua phanh B2 để ngăn không 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 chiều kim đồng hồ Vòng lăn ngoài của khớp một chiều số 2 được cố định vào vỏ hộp số, Nó đượclắp ráp sao cho nó sẽ khóa khi vòng lăn trong (cần dẫn sau) xoay ngược 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 thủy lực lên một phần tử Nghĩa là, chức năng của khớp 1 chiều là đảm bảo chuyển số được êm

Hình 2.18 Ly hợp một chiều

Hệ thống điều khiển thủy lực

Hệ thống điều khiển thủy lực bao gồm: bơm dầu, thân van, các van điện từ, cũng như các đường dầu để nối tất cả các chi tiết này Dựa trên áp suất dầu được sinh bởi bơm,

hệ thống điều khiển thủy lực điều chỉnh áp suất dầu tác dụng lên biến mô, các ly hợp, các phanh phù hợp với điều khiện chuyển động của xe

Hình 2.19 Hệ thống điều khiển thủy lực

Các bộ phận của hệ thống điều khiển điện tử

Hệ thống điều khiển điện tử của ECT điều khiển thời điểm chuyển số và khóa biến mô trong ECT, bao gồm 3 kiểu chi tiết: Cảm biến khác nhau, một ECU và các loại van điện từ Sơ đồ sau chỉ ra mối liên hệ giữa các chi tiết này trong A140E

Hình 2.20 Các bộ phận điều khiển điện tử của mô hình

2.3.2 Sơ đồ kết cấu của hộp số tự động A140E

Kết cấu mặt cắt dọc của hộp số tự động A140E

Hình 2.21 Kết cấu mặt cắt dọc hộp số tự động A140E

1 – Vỏ biến mô; 2 – Bơm dầu; 3 - Ống thông hơi; 4 – Ly hợp truyền thẳng C2; 5 – Ly hợp số tiến C1; 6 – Phanh ma sát ướt B2; 7 – Khớp một chiều F2; 8 – Phanh ma sát ướt B3; 9 – Xylanh điều khiển phanh B3; 10 – Bánh răng chủ động trung gian; 11 – Xylanh điều khiển phanh B0; 12 – Phanh ma sát ướt số truyền tăng B0; 13 – Xylanh điều khiển ly hợp C0; 14 – Trục trung gian hộp số; 15 – Lò xo hồi vị; 16 – Trục thứ cấp của hộp số; 17 – Bánh răng bị động trung gian; 18 – Phớt chắn dầu; 19 - Ổ bi đỡ;

20 – Vi sai; 21 – Cảm biến tốc độ