Hệ thống điều khiển hộp số sàn tự động

2.2.1 Cấu hình của hệ thống điều khiển AMT

Hệ thống điều khiển AMT của một chiếc xe chủ yếu bao gồm của động cơ, bộ ly hợp và bộ điều khiển chuyển số được vận hành bởi phần mềm máy tính, như được thể hiện trong Hình 2.3, nơi mà đơn vị điều khiển (TCU) giao tiếp với bộ điều khiển động cơ (ECU) thơng qua một tiêu chuẩn CAN. Một tín hiệu từ cảm biến của một bàn đạp gia tốc cho thấy mức độ hoạt động của bàn đạp tăng tốc và tín hiệu này được đưa đến bánh răng trong bộ phận điều khiển chuyển số và ECU. Trong quá trình chuyển số, bộ điều khiển tốc độ xe và dữ liệu của bánh răng cảm biến vị trí được sử dụng để thực hiện chuyển số.

12

(1) Động cơ; (2) Cảm biến tốc độ động cơ; (3) Bộ ly hợp; (4) Cảm biến hành trình; (5) Bộ ly hợp bộ truyền động; (6) Bộ truyền động; (7) Bộ truyền động sang số; (8) Vị trí bánh răng cảm biến; (9) Cơ cấu bánh dẫn động; (10) Cảm biến tốc độ

xe; (11) Bộ phận điều khiển ly hợp; (12) Bộ phận điều khiển chuyển số; (13) Máy tính phần mềm; (14) Khối điều khiển truyền động; (15) Cảm biến bàn đạp gia tốc; (16) Bàn đạp ga; (17) Bộ điều khiển động cơ và (18) Bộ truyền động bướm ga.

Hình 2.3: Cấu hình của hệ thống điều khiển AMT

TCU hoặc cổng thu thập dữ liệu nhận được thơng tin từ các cảm biến tương tự và chuyển nĩ đến một phần mềm máy tính thơng qua bộ chuyển đổi A/D và giao diện I/O. Ngồi ra, một bộ mã hĩa kỹ thuật số cĩ thể được sử dụng để đo dữ liệu và cung cấp chúng ở dạng kỹ thuật số tương thích với phần mềm máy tính. Các tín hiệu đầu ra phản hồi được cấp trở lại bằng bộ chuyển đổi D/A để điều khiển ly hợp và hộp số cơ cấu truyền động dịch chuyển.

2.2.2. Phân loại hệ thống điều khiển AMT

Dựa trên các lực truyền động của cơ cấu truyền động khi tiến hành sang số và kích hoạt ly hợp, AMT được xếp vào các loại sau.

13

2.2.2.1. Truyền động khí nén

Đối với loại này, việc chuyển số và điều khiển ly hợp được thực hiện bởi hệ thống trợ động khí nén. Hệ thống điều khiển khí nén AMT được trình bày trong Hình 2.4 bao gồm các bộ truyền động dịch chuyển dọc và ngang, được lắp trên hộp số truyền động cho các lực tỷ lệ với áp suất bên trong của xi lanh, từ đĩ kích hoạt địn bẩy chuyển số. Áp lực được kiểm sốt bằng cách sử dụng khí nén kích hoạt van giúp điều chỉnh dịng khí nén vào và ra để đáp ứng với các tín hiệu điều khiển, từ đĩ cung cấp vị trí mong muốn tùy thuộc vào bản đồ lập lịch trình. Cảm biến điện từ được sử dụng để chỉ ra vị trí của các cơ cấu chấp hành khí nén. Sự thay đổi cơ chế được điều khiển đến một vị trí mong muốn theo một bản đồ lập lịch xác định các trình tự hoạt động. Hệ thống sử dụng áp suất thấp (0,5 MPa đến 0,8 MPa) cho cơ cấu chấp hành. Tuy nhiên nĩ cĩ những nhược điểm như khơng khí rị rỉ từ khe hở, kích thước lớn và khả năng định vị khơng chính xác cho cơ cấu chấp hành. Hơn nữa, nĩ chỉ khả thi cho xe tải.

(1) Tín hiệu cảm biến vị trí; (2) Cảm biến điện từ; (3) Van khí nén;(4) Xả nước; (5) Hình trụ đứng; (6) Hình trụ nằm ngang; và (7) Khí nén thứ tự tín hiệu

kích hoạt van.

14

2.2.2.2. Truyền động cơ điện

Trong một hệ thống truyền động cơ điện, điều khiển cơ cấu chấp hành được thực hiện bởi truyền động điện servo như động cơ DC, động cơ bước hoặc thiết bị truyền động điện từ tuyến tính hoạt động đồng bộ để đạt được những vị trí mong muốn. Một trong những hệ thống này cĩ ưu điểm là cơ cấu chấp hành chỉ sử dụng năng lượng để kích hoạt khoảng thời gian. Dễ dàng kiểm sốt các ổ đĩa và chi phí cho các thành phần điện tử thấp. Những yếu tố này làm cho hệ thống hiệu quả và đáng tin cậy hơn so với khí nén và hệ thống thủy lực.

2.2.2.3. Truyền động thủy lực

Năm 1980, hệ thống điều khiển AMT bằng thủy lực được sử dụng trong một hệ thống truyền lực. Hình 2.5 cho thấy một hệ thống thủy lực bao gồm các đoạn và ống chứa thủy lực dầu cĩ áp suất cao (3 MPa đến 6 MPa) được điều khiển bởi một van điện từ hoặc van vận hành bằng động cơ để đạt được các vị trí cần thiết tại mỗi thời điểm cho ly hợp sang số. Van nằm dưới sự kiểm sốt của một bộ điều khiển điện tử. Một rơle áp suất điều khiển áp suất trong mạch thủy lực khi áp suất thay đổi bằng cách chuyển đổi động cơ của máy bơm. Một bộ tích lũy được sử dụng để làm giảm xung áp suất và làm dịu áp suất hệ thống tạm thời. Cường độ của hệ thống này là chuyển động phản ứng nhanh và độ chính xác cao trong việc định vị cơ cấu chấp hành. Nhược điểm của hệ thống này bao gồm việc rị rỉ dầu cĩ áp suất qua khe hở, khoang khí được tạo ra trong quá trình làm việc chất lỏng dẫn đến giảm mơ đun và sự mài mịn của các thành phần bị gây ra bởi chất lỏng bị nhiễm bẩn. Hơn nữa, hệ thống điều khiển AMT bằng thủy lực cĩ giá cao và khĩ bảo trì, đồng thời cần thêm nguồn điện để kích hoạt các ổ đĩa.

15

(1) Bộ tích lũy; (2) Rơ le áp suất; (3) Van điện từ; (4) Thủy lực ly hợp hình trụ; (5) Chọn xi lanh thủy lực; (6) Xylanh thủy lực sang số; (7) DC

động cơ; và (8) Bơm.

Hình 2.5: Hệ thống điều khiển AMT bằng thủy lực

2.3. Nguyên lý hoạt động

Trên thị trường xe hơi hiện tại đã tồn tại ba loại hộp số tự động được sử dụng rộng rãi đĩ là hộp số vơ cấp CVT (Hộp số biến thiên liên tục), hộp số DCT (Hộp số ly hợp kép) và Hộp số tự động hồn tồn. Tất cả đều sử dụng cách sắp xếp bánh răng và ly hợp phức tạp hơn nhiều và khác hồn tồn so với hộp số sàn thơng thường. Tuy nhiên, AMT sử dụng cùng một hộp số và thiết lập ly hợp như trong hộp số sàn.

Sự khác biệt duy nhất phát sinh là trong cách chúng được vận hành. Thay cho cần số và bàn đạp ly hợp bên trong cabin của ơ tơ, được người lái vận hành bằng tay, hộp số AMT cĩ một hệ thống truyền động thủy lực gắn bên trong động cơ. Các cơ cấu chấp hành của hệ thống AMT được liên kết với ECU của ơ tơ, cung cấp đầu vào và đầu ra đi đến các bánh răng và ly hợp.

16

Kiểu sang số được lập trình sẵn từ nhà máy và dữ liệu đĩ được lưu trữ bởi ECU. Vì vậy, bất cứ khi nào số vịng quay của động cơ lên đến một mức nhất định, ECU sẽ tự động điều khiển các cơ cấu chấp hành để vận hành đồng bộ cả ly hợp và hộp số.

Điều này hoạt động chính xác giống như hộp số tự động vì khơng cĩ bàn đạp ly hợp và trong một số trường hợp, thậm chí khơng cĩ cần số bên trong cabin (như đã thấy ở Renault Kwid). Mặc dù trong hầu hết các trường hợp, cĩ một cần số với ba chế độ lái là R (Số lùi), N (Trung lập) và D (Lái xe). Ngồi ra cịn cĩ một tùy chọn chuyển sang chế độ thủ cơng song song với chế độ Drive.

Ở chế độ số tay, thao tác sang số đơn giản hơn đáng kể, di chuyển cần về phía trước để chuyển sang số cao hơn và lùi về phía sau để chuyển sang số thấp hơn, khơng cĩ ly hợp và khơng cĩ đường chuyển số đa hướng.

Quá trình sang số:

Trên hộp số sàn, bắt đầu từ điểm trung hịa (N) của cần số, quá trình chuyển số cĩ thể được chia thành hai giai đoạn:

▪ Lựa chọn bánh răng (cịn gọi là chọn cổng): khi mặt phẳng / đường bánh răng tương ứng được chọn.

▪ Tương tác với thiết bị : khi thiết bị sắp tới thực sự được tham gia. Ví dụ, để sử dụng tay số 1, sự thay đổi địn bẩy là lần đầu tiên chuyển sang bên trái, trong 1-2, và sau đĩ đẩy về phía trước.

17

Vì ăn khớp bánh răng là sự kết hợp của hai chuyển động, trên các trục khác nhau, AMT yêu cầu:

▪ 2 bộ truyền động cho quá trình chuyển số.

▪ 1 bộ truyền động cho khớp / tháo ly hợp.

Một thiết bị truyền động cĩ thể được định nghĩa là một thiết bị chuyển đổi tín hiệu điện (gửi bởi một mơ-đun điều khiển điện tử) vào một hành động vật lý (dịch hoặc xoay). Thiết bị truyền động cĩ thể là van hoạt động bằng điện từ điều khiển áp suất chất lỏng hoặc động cơ điện làm quay bánh răng.

2.4. Chế độ lái xe

Ngày nay, đối với người lái xe, khá khĩ để phân biệt giữa AMT, AT hay DCT. Nếu ở cấp độ phần cứng, chúng khác nhau về cách bố trí và các thành phần, thì ở cấp độ chức năng (phần mềm), chúng đều hoạt động tương tự nhau.

Trong xe AMT, người lái cĩ bàn đạp ga, bàn đạp phanh, cần chọn chương trình / hộp số và lẫy chuyển số trên vơ lăng (tùy chọn). Với cần gạt, người lái cĩ thể chọn ít nhất bốn chế độ:

▪ Tự động (cịn được gọi là Drive) (A, D)

▪ Thủ cơng (M hoặc +/-)

▪ Trung tính (N)

18

Hình 2.7: Cần số Opel Zafira (AMT)

Ở chế độ Tự động (cịn gọi là Chế độ lái), cả quyết định sang số và chuyển số thực tế đều được thực hiện bởi mơ-đun điều khiển hộp số mà khơng cần bất kỳ sự can thiệp hay đầu vào nào từ người lái. Tiêu chí chính để chuyển số là chức năng tính tốn của tốc độ xe và tải trọng động cơ (vị trí bàn đạp ga).

Ở chế độ Thủ cơng , người lái cĩ thể quyết định thời điểm sang số. Bằng cách nhấn “+” hoặc “-” tùy vào chức năng của mỗi nút. Trong chế độ này, cĩ một số chức năng bảo vệ được kích hoạt, nĩ sẽ sang số ngay cả khi người lái xe khơng yêu cầu. Ví dụ, nếu tốc độ động cơ quá cao, cơng việc chuyển số sẽ được thực hiện và nếu tốc độ động cơ quá thấp (khơng đủ mơ-men xoắn động cơ), cơng việc sang số cũng sẽ được thực hiện.

Hầu hết các xe cĩ AMT đều cĩ chế độ Snow. Chế độ này rất hữu ích trong điều kiện lái xe cĩ độ ma sát thấp của mặt đường. Trong chế độ này tay số 2 được chọn thay vì tay số 1. Bằng cách này, lực kéo ở bánh xe được hạn chế và tránh được hiện tượng trượt bánh.

Những ưu điểm chính của hộp số sàn tự động (AMT) so với hộp số sàn (MT) là:

19 ▪ Tiết kiệm nhiên liệu tốt hơn (động cơ được giữ ở vùng hoạt động tiết

kiệm nhiên liệu nhất, thơng qua tỷ số truyền).

▪ Chẩn đốn độ mịn (bộ truyền động điều khiển điện tử cĩ thể đo độ mịn ly hợp và thơng báo cho người lái xe).

Những bất lợi là giá hộp số cao hơn dẫn đến giá xe hơi cao hơn.

2.5. Mơ phỏng hoạt động của một mơ hình AMT 2.5.1. Kiểu hộp số 2.5.1. Kiểu hộp số

Hộp số được sử dụng để truyền cơng suất từ động cơ tới các bánh xe dẫn động, đáp ứng tốc độ quay và mơ-men xoắn yêu cầu về điều kiện lái xe. Các hộp số được chia thành hai phần: phần thủy lực (van từ và xi lanh) và phần cơ khí (hệ thống đồng bộ hĩa). Như hình 2.8 cho thấy, chất lỏng thủy lực ban đầu được bơm bởi bộ điều khiển từ bể chứa đến bộ tích lũy áp suất, đĩ là nơi nĩ được lưu trữ dưới nhiệt độ cao sức. Sau đĩ, chất lỏng được truyền qua van từ trường đến các nhánh khác nhau.

20

2.5.1.1. Các thành phần thủy lực

Để thực hiện một hoạt động chuyển dịch, chủ yếu cĩ hai loại van từ: Van điều khiển áp suất (PCV1 và PCV2 trong hình 2.8) và van chuyển mạch (SV1và SV2 trong hình 2.8). Hai van điều khiển áp suất được sử dụng để điều khiển chuyển động quay của một bộ điều khiển piston, được kết nối với một cần chuyển số. Hai van chuyển mạch được kết nối với một bộ điều chỉnh piston khác, được sử dụng để chọn vị trí cổng. Van điều khiển áp suất thể hiện trong hình 2.9 cĩ ba cổng: cổng cung cấp, cổng phát hành và cổng đầu ra. Cổng đầu ra được kết nối với cảm biến tích hợp buồng, tạo ra một phản lực hồi cho pít tơng. Độ lớn của lực này phụ thuộc vào áp suất cổng ra và diện tích hiệu dụng của buồng cảm biến.

Hình 2.9: Sơ đồ kiểm sốt áp suất van

Chất lỏng thủy lực đi qua cổng cung cấp, tạo ra một lực và di chuyển pít tơng sang trái cho đến khi lực F bằng với áp lực cung ứng. Vị trí giữa chính là trạng thái ổn định. Các trạng thái ổn định được biểu diễn trong phương trình 1, trong đĩ As , Ar là các khu vực hiệu quả của cảng tiếp liệu và các khoang cảng giải phĩng, Ps , Pr là cổng cung cấp và cổng nhả thủy lực áp suất, Fspring0 biểu thị lực ban đầu của lị xo.

Khi van từ tính này được kích hoạt bởi dịng điện i, cuộn dây tạo ra một lực điện từ Fmagnetic, tạo cho pít tơng một xung lực để di chuyển sang phía bên trái. Trong quá trình chuyển động của pít tơngquá trình, diện tích lỗ của cổng cung cấp cho cổng đầu ra tăng và áp lực đầu ra tăng lên. Khi cổng đầu ra được kết nối với buồng cảm biến,

21

một chất lỏng được tích lũy và tạo ra phản ứng chống lại pít tơng. Bên cạnh những phản ứng của áp lực do chất lỏng sinh ra, pít tơng cũng chịu tác dụng của lực lị xo và lực ma sát. Phương trình 2 mơ tả phản lực tạm thời,

trong đĩ xplunger, vplunger và mplunger là vị trí pít tơng, tốc độ và khối lượng. Aslider

là vùng hiệu quả của cảm biến buồng, Fmagnetic là lực từ gây ra bởi dịng điện i, độ tự cảm của cuộn dây L và hằng số của bộ biến đổi c (phụ thuộc vào các thơng số cấu trúc như thơng lượng mật độ và chiều dài dây), Ffriction là lực ma sát trong đĩ cĩ lực ma sát liên tục Fcoulomb, lực ma sát tỷ lệ với tốc độ Fprop và ma sát Fstribeck , Fspring là lực lị xo với độ cứng k . Nếu một tín hiệu hịa sắc được thêm vào từ tính điều khiển van, Fstribeck cĩ thể được lấy bằng khơng. Trạng thái ổn định cuối cùng được biểu thị bởi phương trình 3. Trong trạng thái này, pít tơng dừng lại ở vị trí giữa, vận tốc và gia tốc bằng khơng.

Với phương trình 1 và phương trình 3, mối quan hệ giữa lực từ và phản ứng của buồng cảm biến lực cĩ thể được biểu thị trong phương trình 4. Đối với một chi tiết van từ tính các thơng số hình học vật lý là cố định, vì vậy kết luận rằng van điều khiển áp suất cĩ mối quan hệ tuyến tính với áp lực đầu ra. Mối quan hệ này được mơ tả

(2)

22

trong phương trình 5, với m là hệ số gĩc, n là độ lệch và i0 biểu thị dịng điện ban đầu được sử dụng để vượt qua ma sát từ trong điều kiện tĩnh.

Lưu lượng chất lỏng q trong quá trình này cĩ thể được biểu thị theo phương trình Bernoulli (phương trình 6), α là hệ số xả và ρ là mật độ của chất lỏng. Khi pít tơng di chuyển từ giữa sang vị trí bên trái, cổng đầu ra được kết nối với cổng cung cấp, lưu lượng chất lỏng và mức áp suất của nĩ tăng lên. Khi pít tơng di chuyển sang bên phải từ vị trí giữa, cổng đầu ra được kết nối với cổng phát hành. Điều này làm chất lỏng chảy sang bể. Khi pít tơng ở vị trí giữa, khơng cĩ tốc độ dịng chảy ngoại trừ rị rỉ, áp lực ở cổng đầu ra cĩ một giá trị ổn định.

(4)

(5)

23

Hình 2.10: Mơ-đun động của van điều khiển áp suất

2.5.1.2. Các thành phần cơ khí

Bộ đồng bộ là thành phần quan trọng trong truyền tải. Nĩ sử dụng các yếu tố ma sát và khĩa để đồng bộ hĩa sự khác biệt tốc độ xảy ra trong quá trình bánh răng dịch chuyển. Như trong hình 2.11, quá trình chuyển số cĩ thể được chia thành 5 giai đoạn theo vị trí và tốc độ chênh lệch.

Giai đoạn 1: Lực sang số FS tác dụng lên trục chuyển động của tay cần sang số và làm cho bánh răng chuyển dịch. Chuyển động dừng lại khi vịng đồng bộ chặn tay cần sang số.

Giai đoạn 2: Lực dọc trục được truyền từ tay sang số đến vịng đồng bộ hĩa, tạo ra momen ma sát TR , lớn hơn nhiều so với mơ-men xoắn TZ. Ở giai đoạn này, sự