với hộp số tự động
(HSTT) là một thành tố thuộc hệ thống truyền lực của ôtô. HSTT thực hiện đồng thời chức năng của ly hợp và hộp số cơ khí cổ điển. HSTT ngày càng phổ biến trên các loại xe cơ giới, đặc biệt là các loại xe con du lịch.
HSTT của ôtô hiện nay được cấu thành từ hai bộ phận cơ bản : và . Hộp số hành tinh được tổ hợp từ các cơ cấu hành tinh và có chức năng tương tự như hộp số cơ khí thường gặp. Biến mô là bộ phận có các chức năng chính sau đây :
ã Đóng vai trò như một ly hợp để truyền hoặc không truyền momen quay từ động cơ đến các bánh xe chủ động.
H. 3-1. Hộp số tự động
3.1.1. đặc điểm cấu tạo của biến mô
Biến mô thuỷ lực được cấu thành từ gồm 3 bộ phận cơ bản là : (B), (T), (D) và (V) (H. 3-2).
Bánh bơm (B) được gắn liền với vỏ (V) của biến mô, vỏ biến mô liên kết cố định với bánh đà của động cơ. Trục của bánh turbine (T) nối với trục của hộp số hành tinh. Trục của bánh dẫn hướng (D) nối với vỏ biến mô thông qua khớp một chiều (một chiều cho phép bánh dẫn hướng quay, chiều ngược lại bị khoá). Nhìn bề ngoài, biến mô có dạng hình xuyến, toàn bộ biến mô quay quanh một đường tâm cố định. Phía trong vỏ biến mô chứa đầy dầu thuỷ lực với áp suất lớn hơn áp suất khí quyển.
Biến mô được bố trí giữa động cơ và hộp số. Theo hướng từ động cơ đến hộp số, bánh bơm (B) được bố trí sau bánh turbine (T), bánh dẫn hướng nằm giữa bánh bơm và bánh turbine. Trục của bánh turbine nằm trong cùng. Trục của bánh dẫn hướng có dạng ống lồng và liên kết với vỏ thông qua khớp một chiều.
Bên trong của bánh bơm B, bánh turbine T và bánh dẫn hướng D đều có các cánh. Các cánh của B, T và D được thiết kế sao cho tạo nên không gian dòng chảy của dầu thuỷ lực ở gần tâm lớn, càng ra ngoài càng thu nhỏ để nâng cao tốc độ dòng chảy khi dầu đi ra xa tâm quay.
H. 3-2. Các bộ phận cơ bản của biến mô thuỷ lực B- Bánh bơm, D- Bánh dẫn hướng, T- Bánh turbine, V- Vỏ
H. 3-3. Hình dáng bên ngoài của một biến mô thuỷ lực 1- Bánh đà nối với động cơ, 2- Vỏ biến mô gắn với bánh đà, 3- Trục bánh turbine nối với hộp số, 4- Trục bánh dẫn hướng, 5- Bánh bơm gắn với vỏ biến mô, 6- Bánh dẫn hướng, 7- Bánh turbine
H. 3-5. Bánh turbine biến mô thủy lực
H. 3-6. Bánh dẫn hướng của biến mô thủy lực
Có thể liên hoạt động của biến mô thuỷ lực với hoạt động của hai quạt gió đặt đối diện nhau, quạt chủ động được cấp điện, quạt bị động không được nối với nguồn điện (H. 2-7). Khi cánh quạt chủ động đẩy không khí sang quạt bị động, cánh của quạt bị động sẽ quay cùng chiều với chiều quay của cánh quạt chủ động do không khí đập vào. Như vậy năng lượng được truyền từ quạt chủ động sang bị động thông qua không khí.
H. 3-7. Sự phối hợp hoạt động của hai quạt gió
Trong biến mô thuỷ lực cũng xảy ra hiện tượng tương tự nhưng trung gian truyền năng lượng là dầu thuỷ lực, trong đó bánh bơm (B) đóng vai trò cánh chủ động, bánh turbine (T) đóng vai trò cánh bị động.
Khi bánh bơm (B) quay cùng bánh đà động cơ sẽ làm cho dầu trong biến mô chuyển động. Dưới tác dụng của lực ly tâm và cấu hình cánh của bánh bơm, dầu chạy ra phía ngoài và tăng tốc. Tại biên ngoài của cánh, dầu đạt tốc độ cao nhất và hướng theo cánh của bánh bơm (B) đập vào cánh của bánh turbine (T). Tại bánh turbine, dầu truyền năng lượng và giảm dần tốc độ, đồng thời theo các cánh của bánh turbine chạy vào phía trong. Khi tới mép trong của bánh turbine (T), dầu rơi vào cánh của bánh dẫn hướng (D) và theo các cánh dẫn hướng chuyển sang bánh bơm (B). Cứ như vậy, dầu thuỷ lực tuần hoàn theo đường xoắn ốc trong giới hạn của hình xuyến B đ T đ D đ B. Quá trình dầu di chuyển trong bánh bơm là quá trình tích năng, trong bánh turbine - quá trình dầu truyền năng lượng, trong bánh dẫn hướng - quá trình đổi hướng chuyển động.
Chiều quay của bơm
Dầu ra Dầu vào
H. 3-8. Sự di chuyển của dầu trong bánh bơm
Chiều quay của turbine
Dầu vào turbine Dầu ra
H. 3-9. Sự di chuyển của dầu trong bánh turbine
Chiều quay của stator
Dầu vào
Khi xe ở trạng thái đứng yên bắt đầu chuyển động, tăng tốc ( di chuyển ra khỏi ga ra, chỗ đậu xe•), độ chênh lệch (trượt) giữa bơm và tua bin lớn. Dòng dầu ra khỏi tua bin sẽ đập vào mặt trước của stato. Các cánh dẫn của stato được bố trí chiều để chuyển hướng dòng dầu là chiều ngược với chiều của khớp một chiều. Do đó khi dòng chất lỏng đập vào mặt trước của stato, khóa một chiều sẽ ngăn không cho stato quay đồng thời làm stato có chức năng như một điểm tựa cứng trong hệ đòn bẩy. Như vậy dầu qua stato được chuyển hướng, và được tăng tốc.
Khi xe đạt vận tốc ổn định, vận tốc tua bin gần bằng bơm, dòng chất lỏng bắt đầu đập vào mặt sau của cánh stato làm cho stato quay cùng chiều với bơm và tua bin. Khi vận tốc tăng , ba cụm chi tiết này bắt đầu quay với vận tốc xấp xỉ nhau. Lúc này stato không còn tác dụng chuyển hướng, tăng tốc độ nữa (không còn cần thiết). Hình
Đặc điểm chính của biến mô là làm tăng mômen xoắn, có thể tăng từ 2-2,5 lần thậm chí còn có thể cao hơn nữa tùy theo thiết kế của biến mô. Độ tăng mômen xoắn lớn nhất là ngay lúc ban đầu, tức khi động cơ bắt đầu khởi động. Động cơ tăng tốc dần dần, độ biến mômen giảm từ từ. Một khi bơm và tua bin quay với vận tốc xấp xỉ nhau thì hiệu quả làm việc của biến mô giảm xuống gần bằng không.
Lúc này biến mô làm việc như một ly hợp thủy lực, hiệu suất làm việc gần bằng không nhưng vẫn tiêu tốn 2-7% tổng năng lượng của động cơ (do tồn tại sự trượt giữa bơm và tua bin). Vì vậy từ thập kỷ 80, để tiết kiệm nhiên liệu, tăng hiệu quả làm việc của động cơ; biến mô được trang bị ly hợp khóa, để khóa cứng bơm và tua bin lại khi động cơ đang chạy ở tốc độ cao (khoảng 45-50 dặm/ giờ hay km/h). Bộ khóa này được điều khiển tự động bằng bộ cảm ứng điện tử, vi tính và chỉ tác dụng khi xe đang ở số 3 hay 4. Nhờ vậy mà hiệu suất được tăng lên gần 100% tại tốc độ cao.
Trong quá trình hoạt động, bộ biến mô được chia làm hai pha hoạt động: pha biến mô và pha ly hợp thủy lực.
-Pha biến mô: khi xe chạy tốc độ thấp, hay mômen cản lớn (đường xấu gồ ghề). Lúc này ly hợp khóa ở trạng thái mở.
-Pha ly hợp thủy lực: khi xe chạy tốc độ cao, ứng với mômen cản nhỏ (xe chạy trên đường tốt). Ly hợp khóa ở trạng thái đóng.
Các thông số công tác đặc trưng của biến thuỷ lực bao gồm :
ã Momen truyền của bánh bơm (MB), bánh turbine (MT) và bánh dẫn hướng (MD).
ã Tốc độ quay của bánh bơm (nB) và của bánh turbine (nT). ã Hiệu suất của biến mô (hBM).
ã Độ trượt của biến mô (lBM).
Momen truyền của bánh turbine, bánh bơm và bánh dẫn hướng có quan hệ như sau :
MT = MB ± MD
Trong phần lớn chế độ làm việc, MT > MB, khi đó MB và MD có cùng chiều và MT = MB + MD.
H. 2-11 thể hiện sự thay đổi của MT theo tốc độ quay nT. MT có trị số lớn nhất khi xe khởi hành (nT = 0) và nhỏ nhất tại nTO.
Hiệu suất (hBM) và độ trượt (lBM) của biến mô thuỷ lực được định nghĩa như
sau : B T B T BM n n M M ì = h ; B T BM n n - =1 l
MT hT hBM MT MB 0 0 nTO nTO 1,0 0,5 0 nT 2,3 MT/MB 2,0 1,0 0 0 0,4 0,8 1,0 nT/nB 1,0 hBM 0,8 0,4 0 hBM MT/MB a) b)
H. 3-11. Đặc tính của biến mô thuỷ lực
1) Trong phần lớn thời gian hoạt động, biến mô làm việc ở chế độ MT > MB, bánh dẫn hướng (D) bị khoá bởi khớp một chiều để trở thành điểm tựa cho dòng dầu và tạo điều kiện tăng phản lực của dòng chảy. Tỷ số MT/MB, tức là khả năng tăng momen của biến mô thuỷ lực có thể đạt khoảng 2,5 á 2,8 khi khởi hành xe. Khi bánh dẫn (D) hướng quay tự do, vai trò của nó chỉ là hướng dòng dầu thuỷ lực . Khi đó MT = MB , nT = nB và biến mô làm việc như một ly hợp thuỷ lực.
Như vậy, khác với ly hợp thuỷ lực, biến mô thuỷ lực có khả năng tăng được momen truyền từ bánh bơm (bộ phận chủ động) sang bánh turbine (bộ phận bị động). Sự tăng momen này tuỳ thuộc vào chế độ làm việc của động cơ và điều kiện vận hành của xe bánh. Mặt khác, sự biến đổi momen của biến mô thuỷ lực không theo kiểu bậc thang mà theo kiểu vô cấp.
2) Để đảm bảo khả năng truyền momen có hiệu quả, dầu thuỷ lực trong biến mô phải có áp suất cao. Ngay cả khi hộp số không làm việc, dầu trong biến mô vẫn phải có áp suất cao hơn áp suất khí quyển để ngăn ngừa không khí lọt vào biến mô.
3) Khi nT = nB, hiệu suất của biến mô giảm xuống bằng không. Để khắc phục hiện tượng này, nhiều biến mô thuỷ lực được trang bị ly hợp ma sát đặt giữa bánh
bơm (B) và bánh turbine (T). Ly hợp ma sát này sẽ tự động đóng tại thời điểm nT ằ nB để momen được truyền từ B sang T thông qua ly hợp ma sát. Trên các ôtô, ly hợp ma sát trong biến mô thuỷ lực được gọi là ly hợp khoá LOCK-UP và chế độ làm việc của nó do người lái quyết định. Khi khoá LOCK-UP ở vị trí OFF, ly hợp ma sát không hoạt động. Khi khoá LOCK-UP được đặt ở vị trí ON, ly hợp ma sát sẽ tự động đóng khi nT ằ nB, lúc này tính chất biến đổi momen một cách vô cấp của biến mô không còn nữa và hộp số tự động làm việc như hộp số có cấp và ly hợp ma sát thông thường.
4) Sự truyền năng lượng từ bánh bơm (B) sang bánh turbine (T) trong biến mô thuỷ lực diễn ra khi bánh bơm quay, bởi vậy ngay sau khi khởi động động cơ là momen có thể truyền sang phần bị động và xe có thể "tự bò". Để ngăn ngừa hiện tượng này, hộp số tự động có cơ cấu khoá trục bị động và người lái chỉ có thể rời xe khi đã tắt máy hoặc đã để cần chọn số ở vị trí P - "số đỗ". Khi khởi động động cơ, không nhấn chân ga để tốc độ quay của bánh đà và bánh bơm không quá lớn.
Tác dụng của ly hợp khoá là dùng để nối cứng bánh tua bin và bánh bơm khi độ trượt giữa hai bánh này nhỏ.
H. 3-12. Nguyên lý hoạt động của biến mô với khóa Lock up của xe Chrysler. a) khi biến mô đứng yên; b) khi biến mô làm việc; c) khi lock up đóng.
Phần chủ động của ly hợp là vỏ biến mô, gắn liền với bánh bơm, trên mặt trong của vỏ biến mô có một mặt phẳng dạng vành khăn tạo nên mặt phẳng tựa của ly hợp. Phần bị động gắn với trục của bánh tua bin. Trên bề mặt đĩa bị động có gắn tấm ma sát.
Ly hợp khóa được ép bởi đĩa ép dạng pittông thuỷ lực, khi áp suất chất lỏng vào biến mô tạo áp lực đẩy pittông di chuyển ép đĩa bị động, làm nối bánh bơm và bánh tua bin của biến mô.
Khi độ trượt giữa bánh bơm và tua bin lớn, dòng thuỷ lực chảy tuần hoàn theo đường xoắn ốc và trở về hệ thống dầu chung; khi độ trượt giữa bánh bơm và tua bin xấp xỉ bằng nhau (chênh lệch khoảng 3%), chất lỏng mất dần khả năng tuần hoàn theo đường xoắn ốc, chảy theo hướng dầu về của biến mô làm tạo nên sự chênh áp đẩy pittông khoá ly hợp. Khả năng này làm việc tự động.
Trong hệ thống truyền lực với hộp số tự động, (HSHT) được bố trí sau biến mô thuỷ lực. Hộp số hành tinh không có cần chuyển số mà chỉ có cần chọn số. Cần chọn số nhằm xác định giới hạn khả năng tự động điều khiển của quá trình chuyển số trong một phạm vi nhất định.
HSHT trong hộp số tự động của ôtô có cấu trúc khá đa dạng, chúng được tổ hợp tưc các (CCHT) cơ bản hoặc các cơ cấu hành tinh tổ hợp. Trên ôtô thường sử dụng 3 kiểu CCHT như sau :
ã CCHT kiểu Wilson độc lập, ã CCHT kiểu Simpson, ã CCHT kiểu Ravigneaux.
H. 3-13. Cấu tạo và sơ đồ của CCHT Wilson.
M- bánh răng mật trời; N- bánh răng ngoại luân; H- bánh răng hành tinh; G- giá hành tinh.
CCHT kiểu Wilson là bộ truyền bánh răng ăn khớp trong và ngoài, ba trục. Các chi tiết bao gồm: một bánh răng mặt trời có vành răng ngoài M đặt trên một trục quay. Một bánh răng ngoại luân có vành răng trong N đặt trên một trục quay khác cùng đường tâm với trục của M, các bánh răng hành tinh H nằm giữa M và N và đồng thời ăn khớp với M và N (với M- ăn khớp ngoài, với N- ăn khớp trong), trục của bánh răng H nối cứng với nhau trên giá hành tinh G và chuyển động quay xung quanh đường tâm trục của M, N, trục của G là trục thứ ba của CCHT.
Như vậy ba trục có cùng đường tâm quay và ở dạng trục lồng, được gọi là đường tâm trục của CCHT, các trục đều có thề quay tương đối với nhau. Số lượng bánh răng H có thể là 1,2,3,4 tuỳ thuộc vào cấu trúc của các bánh răng. Các bánh răng H vừa có khả năng quay xung quanh trục của nó và vừa có khả năng quay xung quanh trục của CCHT.
CCHT Wilson có ba phần tử M, N, G. Bánh răng hành tinh H được coi là khâu liên kết giữa M và N. Theo phân tích động học của một hộp số, chúng cần có một phần tử chủ động và một phần tử bị động. Để có tỷ số truyền của cơ cấu có hai khả năng:
+khoá một phần tử với vỏ hộp số; +khoá hai phần tử với nhau.
Cả hai khả năng này đều cho phép: nếu trục vào có tốc độ ổn định thì tốc độ góc của trục ra sẽ ổn định.
Nguyên lý làm việc của CCHT được xem xét dưới dạng sơ đồ trạng thái trình bày trong bảng 3-1. Trong đó quan hệ của số vòng quay trên trục bị động chia cho số vòng quay trên trục chủ động là tỷ số truyền của CCHT ở trạng thái xét.
Trong bảng 3-1 gồm bảy trạng thái, phần tử liên kết được hiểu là phần tử nối với vỏ hoặc liên kết giữa hai phần tử với nhau, tỷ số truyền được tính:
cd bd bd cd M M n n i= =
Khả năng được sử dụng được ghi rõ như: số truyền tăng tốc, chậm, thẳng hoặc lùi. Giới hạn tỷ số truyền phụ thuộc vào khả năng chế tạo và kích thước của các chi tiết.
Trạng thái khâu Công thức tính tỷ số truyền Số
PA Sơ đồ bố trí Vào Ra Khóa
vao ra ra vao M M n n i= = Khoảng i cho phép Sử dụng 1 M G N M N M G G M r r M M n n = =1+ 2,5<i<5 Số truyền chậm 2 G M N M N G M M G r r M M n n + = = 1 1 0,2<i<0,4 Số truyền nhanh