Mục lục chương 1 1.1 Giới thiệu chung về hộp số ................................................................................... 1 1.1.1 Chức năng và yêu cầu .................................................................................... 1 1.1.2 Một số loại hộp số thông dụng....................................................................... 1 1.2 Cấu tạo hoạt động của hộp số tự động vô cấp ...................................................... 4 1.2.1 Tổng quan về hộp số vô cấp .......................................................................... 4 1.2.2 Cấu tạo của các thành phần chính .................................................................. 5 1.2.3 Nguyên lý hoạt động .................................................................................... 23 1.3 Đặc tính động học và động lực học của xe dùng hộp số vô cấp ......................... 27 1.3.1 Đặc tính động học ........................................................................................ 27 1.3.2 Đặt tính động lực học................................................................................... 29 1.4 Ưu và nhược điểm của hộp số tự động vô cấp CVT .......................................... 30 1.4.1 Ưu điểm ....................................................................................................... 30 1.4.2 Nhược điểm.................................................................................................. 31 1.5 Các loại hộp số tự động vô cấp khác .................................................................. 31 1.5.1 Cone CVT .................................................................................................... 31 1.5.2 Hydrostatic CVT (hộp số vô cấp thuỷ tĩnh)................................................ 32 1.5.3 Toroidal CVTs ............................................................................................. 33 Chương 1 : CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA HỘP SỐ TRÊN Ô TÔ 1.1 Giới thiệu chung về hộp số 1.1.1 Chức năng và yêu cầu Nhiệm vụ: Hộp số có nhiệm vụ thay đổi tỷ số truyền nhằm thay đổi moment xoắn ở các bánh xe chủ động của ô tô, đồng thời thay đổi tốc độ chạy xe cho phù hợp với sức cản bên ngoài. Cho phép ô tô chuyển động lùi, ô tô dừng mà không cần tắt máy hoặc cắt ly hợp. Dẫn động lực học ra ngoài cho các bộ phận công tác của xe chuyên dùng. Yêu cầu : Có tỷ số truyền phù hợp để nâng cao tính động lực và tính kinh tế. Hiệu suất truyền lực cao khi làm việc không gây tiếng ồn, thay đổi số nhẹ nhàng không sinh lực va đập ở các bánh răng. Kết cấu gọn nhẹ chắc chắn dễ điều khiển dễ bảo dưỡng dễ kiểm tra. 1.1.2 Một số loại hộp số thông dụng Hộp số vô cấp Hình 1.1: Hộp số vô cấp 1 Hộp số vô cấp là loại hộp số không sử dụng các cặp bánh răng để tạo tỷ số truyền động mà hoạt động dựa trên hệ thống ròng rọc và dây truyền. Cho phép nó thay đổi tỷ số truyền liên tục và mượt mà không bị khựng lại như hộp số bánh răng truyền thống. Bộ phận chính của hộp số CVT là hai puly có khả năng thay đổi đường kính và một dây đai chạy trong rãnh giữa hai puly hình nón này. Hai khối hình nón này có khả năng thay đổi khoảng cách giữa chúng. Hộp số sàn Hình 1.2: Hộp số sàn Hộp số sàn (hay còn gọi là số tay) là hộp số có tuổi đời lâu nhất trên các ô tô hiện nay. Đặc điểm chính của hộp số tay là người lái phải tự chuyển số bằng pê-đan côn và cần số trên sàn để gài các bánh răng ăn khớp với nhau, nhằm 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) Hộp số tự động 2 Hình 1.3: Hộp số tự động Hộp số tự động là loại hộp số ô tô có kết cấu khá phức tạp, có thể tự động thay đổi tỷ số truyền bằng cách sử dụng bánh răng hành tinh bên trong thay vì bánh răng cơ thông thường. Không có chân côn (ly hợp) là điểm dễ dàng phân biệt giữa xe số sàn và xe số tự động nếu nhìn bằng mắt thường. Hộp số ly hợp kép Hình 1.4: Hộp số ly hợp kép Hộp số ly hợp kép còn được biết đến với tên gọi là DCT là loại hộp số ô tô có thể cho phép người tài xế chuyển sang số tay mặc dù số ly hợp kép vẫn đang hoạt động, nguyên lý này được diễn ra bởi hệ thống thủy lực và điện tử. Một sự kết hợp của hộp 3 số tự động và hộp số sàn, hộp số ly hợp kép không có bộ chuyển đổi mô-men xoắn. Thay vào đó, nó sử dụng hai trục riêng biệt với bộ ly hợp riêng để thay đổi bánh răng, một cho bánh răng số lẻ và một cho số chẵn. Chuyển sang bánh răng cao hơn và thấp hơn là liền mạch, nhưng chúng có thể gây ồn. DCT là hộp số khô không cần người lái thay đổi chất lỏng hộp số bao giờ. Nó làm cho ly hợp khô và hao mòn chất lượng ma sát của nó. 1.2 Cấu tạo hoạt động của hộp số tự động vô cấp 1.2.1 Tổng quan về hộp số vô cấp Lịch sử 1490 - Da Vinci phác họa một hộp số vô cấp 1886 - Hộp số con lăn đầu tiên được đăng ký bằng phát minh. 1935 - Adiel Dodge nhận bằng sáng chế của Mỹ về CVT kiểu con lăn. 1939 - Hộp số tự động toàn phần dựa trên một hệ thống bánh răng hành tinh ra đời 1958 - Daf (ở Hà Lan) sản xuất CVT cho xe ô tô 1989 - Subaru Justy GL là sản phẩm đầu tiên được lắp CVT được bán ra ở Mỹ. 2002 - Saturn Vuev với hộp số CVT; chiếc Saturn đầu tiên ứng dụng công nghệ CVT 2004 - Ford bắt đầu với CVT. Ngày nay hộp số vô cấp CVT được dùng rộng rãi trên các dòng xe từ phổ thông đến hạng sang. Điển hình là các mẫu xe hết sức thông dụng tại Việt Nam như: Toyota Vios, Honda City, Nissan Sunny, Toyota Corola Altis ... Các thành phần chính 4 Hình 1.5: Cấu tạo hộp số vô cấp Cấu tạo của một hộp số vô cấp (CVT) thường bao gồm 3 phần chính: Bộ biến mô Bộ truyền bánh răng hành tinh và vô cấp Hệ thống điều khiển 1.2.2 Cấu tạo của các thành phần chính 1.2.2.1 Bộ biến mô Hình 1.6: Bộ biến mô Nhiệm vụ: Khuyếch đại mô men từ động cơ vào hộp số (Bộ truyền bánh răng hành tinh) bằng việc sử dụng dầu hộp sô tự động như một môi chất. Đóng vai trò như một ly hợp thủy lực để truyền (hay không truyền) momnent động cơ đến hộp số. Hấp thụ các dao động xoắn của động cơ và hệ thống truyền lực. Thay thế chức năng của bánh đà Hình 1.7: Cấu tạo bộ biến mô 5 Cấu tạo: Bộ bánh bơm Các cánh bơm được gắn trực tiếp lên vỏ biến mô và vỏ biến mô kết nối với trục động cơ. Nó là các cánh quạt cong và có góc cạnh. Bộ bánh bơm bao gồm dầu hộp số quay cùng với tốc độ động cơ. Khi nó quay cùng với động cơ, lực ly tâm khiến cho dầu di chuyển ra phía ngoài. Các cánh của bánh bơm được thiết kế theo cách hướng môi chất lỏng về phía các cánh tuabin. Nó hoạt động như một máy bơm ly tâm hút môi chất từ hộp số tự động và đưa vào tuabin. Stator Chức năng chính của stator là định hướng đường hồi về cho môi chất từ tuabin để chất lỏng đi vào bánh bơm theo hướng quay của bánh bơm. Khi chất lỏng đi vào theo hướng quay của bánh bơm, nó sẽ làm tăng mô-men xoắn lên nhiều lần. Stator thay đổi hướng của môi chất lên đến gần 90 độ. Nó được gắn với khớp một chiều nên chỉ xoay được theo 1 hướng. Tuabin được kết nối với hệ thống truyền lực còn Stator nằm ở giữa bánh bơm và tuabin. Bánh tuabin Bánh tuabin được kết nối với trục đầu vào hộp số tự động. Nó cũng bao gồm các cánh cong và có góc cạnh. Cánh tuabin được thiết kế sao cho nó có thể thay đổi hướng của môi chất đi vào bánh bơm. Khi tuabin quay, trục đầu vào hộp số cũng quay làm cho phương tiện di chuyển. Tuabin cũng có một ly hợp khóa, công dụng khóa hoạt động của tuabin khi biến mô đạt được đến điểm kết nối động cơ với hộp số (lúc này biến mô được coi như 1 khớp nối), điều này giúp cải thiện hiệu suất của biến mô. Ly hợp khóa biến mô Khi xe chuyển động với tốc độ cao để giảm hao phí công suất thì cơ cấu ly hợp hoạt động gắn bánh tuabin với bánh bơm nhằm nối trực tiếp động cơ với hộp số, khi đó công suất từ động cơ được truyền một cách trực tiếp đến hộp số giúp cho nâng cao đưuọc hiệu quả công suất và tiết kiệm nhiên liệu. Nguyên lý hoạt động : 6 Hình 1.8: Đường dầu trong biến mô Khi tốc độ của bánh bơm tăng thì lực li tâm làm cho dầu bắt đầu chảy từ tâm bánh bơm ra phía ngoài. Khi tốc độ bánh bơm tăng lên nữa thì dầu sẽ bị ép văng ra khỏi bánh bơm. Dầu va vào cánh của bánh tua bin làm cho bánh tua bin bắt đầu quay cùng chiều với bánh bơm. Dầu chảy vào trong dọc theo các cánh của bánh tua bin. Khi nó chui được vào bên trong bánh tua bin thì mặt cong trong của cánh sẽ đổi hướng dầu ngược lại về phía bánh bơm, và chu kỳ lại bắt đầu từ đầu. Việc truyền mô men được thực hiện nhờ sự tuần hoàn dầu qua bánh bơm và bánh tua bin. Việc khuyếch đại mômen do bộ biến mô thực hiện bằng cách dẫn dầu khi nó vẫn còn năng lượng sau khi đã đi qua bánh tua bin trở về bánh bơm qua cánh của Stato. Nói cách khác, bánh bơm được quay do mô men từ động cơ mà mô men này lại được bổ sung dầu quay về từ bánh tua bin. Có thể nói rằng bánh bơm khuyếch đại mô men ban đầu để dẫn động bánh tua bin. 1.2.2.2 Dây đai Dây đai sử dụng cho hộp số vô cấp ở thế hệ cũ là đai cao su nhưng với xu thế khoa học ngày càng phát triển và yêu cầu về kỹ thuật ngày càng cao thì đai cao su đã được thay thế bằng đai kim loại Đai truyền 7 Hình 1.9: Đai truyền Dây đai kim loại là loại dây phức hợp được làm từ những vòng thép mỏng kết hợp cùng với những phiến thép có độ cứng cao, các phiến thép thì được bố trí phía trên vòng thép. Số lượng các phiến thép phụ thuộc vào khoảng cách giữa hai trục truyền động. Vòng thép được làm bằng các lá thép mỏng có chiều dày thường bằng 0.1 mm, ép chặt với nhau. Dây đai bằng kim loại ít bị trượt và có độ bền cao hơn, cho phép CVT có thể làm việc với mô-men động cơ cao hơn và êm hơn so với dây đai cao su. Xích truyền (pull chain) Hình 1.10: Xích truyền Kết cấu xích tương tự như các loại dây xích thông thường; gồm nhiều mắt xích,mỗi mắt xích được liên kết với nhau bằng hai chốt sao cho bề mặt tiếp xúc giữa hai chốt là hai đường thẳng. 8 Bề mặt tiếp xúc giữa xích truyền với puli là hai mặt bên của chốt xích. Ngày nay thì công nghệ sản xuất dây đai bằng thép này đã rất phát triển giúp cho bộ truyền cho phép truyền công suất lớn hơn mà ít bị trượt hơn vì thế hộp số CVT cũng được dùng ngày càng nhiều hơn trên ô tô. 1.2.2.3 Hệ Puly Hình 1.11: Hệ puly Hệ puly được xem là thành phần quan trọng cũng như đặc trưng nhất của CVT, đây là thành phần tạo nên sự khác biệt giữa CVT và các loại hộp số tự động khác. Mỗi puly được tạo nên từ hai khối nón có góc nghiêng 20 độ đặt đối diện nhau. Khoảng cách giữa hai khối nón có thể thay đổi, khi hai khối nón cách xa nhau thì lúc đó dây đai làm việc ngập sâu trong rãnh nên bán kính làm việc của nó bị giảm. Ngược lại thì bán kính làm việc của dây đai sẽ tăng lên. Dây đai có thể thay đổi bán kính làm việc là do puly có cấu tạo gồm hai nửa, một nửa cố định một nửa tự động. Vì dây đai có thể thay đổi bán kính làm việc cho nên tỷ số truyền của hộp số có thể thay đổi mà không gián đoạn. Puly chủ động ( Puly sơ cấp ) Puly chủ động được nối với trục quay của động cơ nhận năng lượng trực tiếp từ động cơ đưa vào hộp số. Puly chủ động truyền năng lượng nhận được từ động cơ sang puly bị động thông qua đai truyền. Puly gồm có hai nửa: nửa cố định và nửa di động 9 Hình 1.12: Puly chủ động 1. Nửa cố định 2. Bi đỡ 5. Lò xo ép 6. Màng 3. Ổ đỡ 4. Trục đồng tâm 7. Nửa di động Nửa puly di động Hình 1.13: Nửa puly di động 1.Nửa di động 2.Nửa cố định 3.Bầu thủy lực 4.Ổ bi 5.Lò xo. Nửa puly cố định 10 Hình 1.14: Nửa puly cố định 1.Nửa puli, 2. ổ bi, 3. trục đồng tâm, 4. trục đỡ. Puly bị động ( Puly thứ cấp) Puly bị động nhận năng lượng từ puly chủ động thông qua đai truyền và truyền năng lượng này tới vi sai để truyền lực đến các bánh xe. Cấu tạo của Puly bị động cũng giống như puly chủ động gồm hai nửa, một nửa cố định, nửa còn lại di động. Nửa di động được điều khiển bàng hệ thống thủy lực hay quả văng li tâm kết hợp với xi lanh chân không. Hình 1.15: Puly bị động 11 1.Nửa puli di động 5.Bầu thủy lực 2.Lò xo 3.Trục đỡ 4. Ổ bi 6.Trục truyền chuyển động 7.Nửa puli cố định Puly bị động có cấu tạo gồm hai nửa cố định (7) và di động (1) có thể di chuyển lại gần và tách ra xa nhau thông qua việc thay đổi áp suất trong bầu thủy lực (5) dẫn đến thay đổi được bán kính làm việc của đai truyền do đó thay đổi được tỷ số truyền. Nửa puly cố định Hình 1.16: Nửa puly cố định 1.Nửa puli cố định 2.Ổ bi 3.Trục truyền chuyển động. Nửa puly di động Hình 1.17: Nửa puly di động 1.Nửa puli cố định 2.Màng 3. Bầu thủy lực 4 Ổ bi 5.Lò xo 6. Ổ đỡ 12 1.2.2.4 Bơm dầu Hình 1.18: Cấu tạo của bơm dầu Bơm dầu được kết nối với bộ biến mô và được truyền lực từ trục khuỷu động cơ,có nhiệm vụ bôi trơn bộ bánh răng hành tinh và cung cấp dầu cho hệ thống điều khiển thủy lực hoạt động để thay đôi khoảng cách giữa hai nửa puly qua đó thay đổi tỷ số truyền. Bơm dầu được cấu tạo từ: vỏ bơm, vành răng ngoài, rôto bơm, đĩa phân chia dầu. Do sự không đồng tâm trục quay, nên các bánh răng vừa ăn khớp vừa tạo nên các khoang dầu. Khi trục chủ động quay, khoang dầu tạo nên bởi giữa các bề mặt răng tăng dần thể tích, tương ướng với quá trình hút, tiếp theo khoang dầu bị thu hẹp thể tích và tăng áp suất. Qúa trình bơm xảy ra liên tục tạo nên áp suất dầu cho đường dẫn dầu ra cung cấp cho hệ thống thủy lực. 13 1.2.2.5 Bộ bánh răng hành tinh Hình 1.19: Bộ bánh răng hành tinh Bộ truyền bánh răng hành tinh được lắp đặt trên các xe sử dụng hộp số vô cấp có tác dụng khuyếch đại moment và đảo chiều chuyển động của xe. Cấu tạo của một bộ bánh răng hành tinh bao gồm: Bánh răng mặt trời, bánh răng hành tinh, cần dẫn, bánh răng bao. 1.2.2.6 Bộ ly hợp số tiến Hình 1.20: Bộ ly hợp số tiến 14 Cấu tạo của ly hợp số tiến bao gồm nhiều đĩa ma sát và các tấm thép được đặt xen kẽ, ghép lại với nhau để đóng ngắt sự liên kết giữa bánh răng mặt trời và cần dẫn. Các tấm thép trên bộ ly hợp tiến được liên kết với bánh răng mặt trời (input) và các đĩa ma sát liên kết với cần dẫn của bánh răng hành tinh (output). Khi xe chuyển động tiến bộ ly hợp số tiến hoạt động, nó sẽ kết nối trục đầu vào của hộp số với cần dẫn của bánh răng hành tinh (output) lúc này bộ bánh răng hành tinh bị khoá và quay cùng chiều với động cơ với tỷ số truyền 1:1 1.2.2.7 Bộ phanh số lùi Hình 1.21: Bộ phanh số lùi Bộ phanh số lùi nhìn chung cũng có cấu tạo giống với bộ ly hợp số tiến bao gồm các tấm thép và các đĩa ma sát được xếp xen kẽ với nhau. Phanh được sử dụng trong hộp số vô cấp có tác dụng giữ một phần tử của bộ truyền hành tinh với mục đích tạo số đảo chiều (số lùi trong hộp số). Các đãi ma sát được kết nối với bánh răng bao và các tấm thép được kết nối với vỏ của hộp số. Khi xe vào số lùi bộ phanh số lùi hoạt động các tấm thé và đĩa ma sát được ép chặt lại với nhau làm cho bánh răng bao được kết nối với vỏ hộp số do đó bánh răng bao bị giữ lại và không quay được. sau đó moment được truyền đến cần dẫn (output) nó bắt đầu quay theo hướng ngược lại và xe di chuyển lùi về phía sau. 15 1.2.2.8 Bộ làm nóng dầu và làm mát dầu (CVT oil warmer and oil cooler ) Hệ thống làm nóng dầu giúp cho hộp số CVT nóng lên nhanh hơn giúp cho xe đạt mức tiêu thụ nhiên liệu thấp giúp xe tiết kiệm nhiên liệu nay cả khi di chuyển trên quãng đường ngắn. Dầu hộp số là thành phần quan trọng của hộp số CVT và là yếu tố cần thiết để hộp số hoạt động bình thường. Một trong những đặc điểm chung của tất cả các loại dầu là dầu sẽ có độ nhớt cao hơn ở nhiệt độ thấp. chẳng hạn như khi động cơ khởi động nguội nếu dầu có độ nhớt cao động cơ sẽ không thể chạy trơn tru. Hình 1.22: Bộ làm nóng và làm mát dầu hộp số Khi động cơ hoạt động nhờ vào việc đốt cháy nhiên liệu nên động cơ được làm nóng tương đối nhanh chóng, nhưng đối với hộp số nguồn nhiệt chính để làm nóng hộp số là sự ma sát sinh ra khi lái xe nên sẽ mất nhiều thời gian hơn để làm nóng. Khi động cơ bắt đầu khởi động lúc đó cả động cơ và hộp số đều lạnh nhưng chất làm mát của động cơ nóng lên nhanh hơn dầu hộp số nên bộ làm nóng dầu CVT sử dụng chất làm mát của động cơ và nhanh chóng tăng nhiệt độ dầu đến nhiệt độ thích hợp để làm việc. Kết quả giúp làm giảm thời gian dầu ở nhiệt độ thấp gây gánh nặng cho động cơ và giúp rút ngắn thời gian khởi động CVT cải thiện khả năng tiết kiệm nhiên liệu 16 Hình 1.23: Sơ đồ hoạt động của hệ thống làm nóng và mát dầu Bộ làm nóng dầu được lắp đặt phía trước hộp số, chất làm mát của động cơ sau khi nóng lên được đưa đến bộ làm nóng dầu của CVT tại đây nhờ vào nhiệt độ của chất làm mát động cơ mà nhiệt độ của dầu được tăng lên một cách nhanh chóng, sau đó dầu được đưa ngược lại vào trong hộp số để giúp cho hộp số hoạt động. Sau khi động cơ hoạt động bình thường nếu như nhiệt độ của dầu CVT cao hơn nhiệt độ nước làm mát thì nó sẽ được giảm nhiệt độ nhờ vào nước làm mát động cơ. 1.2.2.9 Hệ thống điều khiển Hệ thống điều khiển điện Tổng quan hệ thống điều khiển điện Cảm biến và tín hiệu Cần số Tín hiệu vị trí bàn đạp ga Tín hiệu vị trí bướm ga Tín hiệu tốc độ xe Tín hiệu tốc độ động cơ Tín hiệu chế độ xe Tín hiệu chế độ thứ hai (chế độ sport) Tín hiệu bàn đạp phanh Cảm biến tốc độ puley TCM Điều khiển chuyển số Điều khiển áp suất trên đường ống Điều khiển áp suất puley thứ cấp Điều khiển áp suất puley sơ cấp Điều khiển khoá Điều khiển phanh động cơ Bộ phận chấp hành Motor bước Van điện từ đóng mở khoá biến mô Van điện từ điều khiển đóng mở các đường dầu Van điện từ điều tiết áp suất đường dầu Van điện từ điều khiển chọn chế độ 17 thứ cấp Cảm biến áp suất dầu puley thứ cấp Cảm biến tốc độ puley sơ cấp Cảm biến áp suất dầu puley sơ cấp Điều khiển tốc độ xe Điều khiển hệ thống an toàn Tự động chẩn đoán lỗi Giao tiếp với phần mềm chẩn đoán và cổng chẩn đoán Giao tiếp với hệ thống mạng CAN Các loại đèn hiển thị Rơle máy đề Sơ đồ khối Hình 1.24: Sơ đồ hoạt động của hệ thống điều khiển điện TCM (Transmission Control Module) Các chức năng chính của TCM bao gồm: Nhận tín hiệu được gửi từ các công tắc và cảm biến 18 Tính toán và xác định áp suất dầu cần thiết, điểm dịch chuyển, thời điểm khoá,… Gửi tính hiệu đầu ra tới bộ chấp hành như van điện từ, motor bước. Để điều khiển hộp số CVT một cách tối ưu, TCM nhận rất nhiều dữ liệu từ mạng CAN, những dữ liệu được nhận thường đến từ hộp ECM, ABS, đồng hồ hiển thị trên tableau,… Điều khiển áp suất trên đường dầu Van điều tiết áp suất đường dầu được gắn trực tiếp trên đường dầu, áp suất trong đường dầu được cung cấp bởi bơm dầu, thông qua van chuyển số và van sơ cấp để điều khiển áp suất dầu trên puley chủ động sơ cấp và thứ cấp Việc điều khiển áp suất trên đường dầu và áp suất thứ cấp dựa vào các điều khiện lái như vị trí bướm ga, tốc độ động cơ, tốc độ quay trục sơ cấp và thứ cấp, tín hiệu bàn đạp phanh, tín hiệu cần số, nhiệt độ nước,…. Hình 1.25: Sơ đồ điều khiển áp suất đường dầu Các van dầu được điều khiển thông qua các van điện từ tuyến tính. Đồ thị dòng điện và áp suất là đường thẳng. Có hai loại van điện từ tuyến tính, loại thứ nhất là áp suất sẽ đạt cực đại khi dòng điện ở mức thấp, loại thứ 2 là áp suất đạt cực tiểu khi dòng điện ở mức thấp. 19 Điều khiển thay đổi tỷ số truyền Hình 1.26: Sơ đồ điều khiển thay đổi tỷ số truyền Để có thể đạt được tỷ số truyền đáp ứng ý định của người lái và điều kiện của xe, TCM đã theo dõi các điều kiện hoạt động của xe như vận tốc xe và vị trí bướm ga, sau đó xác định khoảng thay đổi áp suất để đạt được tỷ số truyền đó. Tiếp theo, TCM sẽ gửi tín hiệu tới cơ cấu chấp hành (motor bước) để điều chỉnh áp suất dầu tăng hay giảm nhằm mục đích là di chuyển puley chủ động sơ cấp và thứ cấp để thay đổi tỷ số truyền. Tuỳ vào các chế độ lái khác nhau mà TCM đưa ra những lệnh điều khiển khác nhau: Chế độ D: đây là chế độ tự động, hộp số sẽ tự động thay đổi tỷ số truyền liên tục phụ thuộc vào tốc độ xe và vị trí bướm ga. Tất nhiên là tỷ số truyền chỉ được thay đổi trong khoảng giới hạn của hộp số nghĩa là từ tỷ số truyền cao nhất tới tỷ số truyền thấp nhất. Chế độ M: ở chế độ này khi kết hợp với các lẫy chuyển số, hộp số sẽ hoạt động tương tự hộp số sàn. TCM lúc này đã được lập trình tạo ra các cấp số ảo, bằng cách lựa chọn cộng hoặc trừ trên các lẫy chuyển số, hộp số sẽ thay đổi tăng hoặc giảm các cấp số ảo tương đương với các tỷ số truyền tăng hoặc giảm. Chế độ S: tương tự chế độ M nhưng có thêm các tính năng để tối ưu việc tăng tốc, vượt xe khác, tạo cảm giác lái mạnh mẽ, thể thao hơn. 20 Chế độ L: ở chế độ này, hộp số sẽ được giới hạn ở tỷ số truyền thấp nhất, phù hợp với việc chở nặng, leo dốc. Ngoài ra, ở tỷ số truyền này cũng tạo ra phanh động cơ giúp giảm tốc bánh xe, tạo sự an toàn khi đi đèo dốc. Điều kiển khoá biến mô và ly hợp tiến lùi Cơ cấu khoá biến mô được kích hoạt nhằm hạn chế moment trượt và tăng hiệu suất truyền của biến mô, cơ cấu khoá biến mô hoạt động dựa vào sự điều khiển của van khoá biến mô. Van khoá biến mô được điều khiển bởi TCM thông qua van điện từ khoá biến mô. Phạm vi khoá biến mô trên hộp số CVT đã được mở rộng hơn so với hộp số tự động thông thường bằng cách khoá biến mô ở những tốc độ thấp hơn. Van ly hợp tiến lùi được điều khiển qua một van tay, van điều khiển tiến lùi. Cả van điều khiển tiến lùi và van khoá biến mô đều được điều khiển thông qua một van chuyển đổi, van này được điều khiển bởi các van điện từ. Hình 1.27: Sơ đồ điều khiển khoá biến mô và ly hợp tiến lùi 21 Hệ thống điều khiển dầu Hình 1.28: Sơ đồ điều khiển dầu Hệ thống điều khiển dầu bao gồm bơm dầu, các van điều khiển thuỷ lực và các bộ chấp hành như bộ biến mô, các puley, ly hợp. Bơm dầu được dẫn động trực tiếp từ động cơ và tạo ra áp suất dầu cho các van điều khiển, các van điều khiển phân phối dầu đến các bộ chấp hành hư là các tín hiệu để điều khiển hộp số. Chức năng của từng van Tên Van điều tiết biến mô Van điều tiết áp suất Chức năng Tối ưu hoá áp suất dầu cung cấp cho bộ biến mô phụ thuộc vào điều kiện lái Tối ưu hoá áp suất dầu đuwọc cung cấp bởi bơm vào các van Van điện từ điều tiết áp suất Điều khiển van điều tiết áp suất Van khoá biến mô Điều khiển đóng hoặc mở khoá biến mô và đảm 22 bảo khoá mượt mà, mở khoá hoàn toàn. Van điện từ khoá biến mô Điều khiển van khoá biến mô và van điều khiển tiến lùi Điều khiển áp suất dầu tăng hoặc giảm đến puley Van chuyển số chủ động sơ cấp phụ thuộc vào hành trình khác nhau giữa motor bước và puley chủ động sơ cấp Van thứ cấp Van điện từ thứ cấp Van điều tiết ly hợp Motor bước Van tay Van điều khiển tiến lùi Điều khiển áp suất dầu puley chủ động thứ cấp phụ thuộc vào điều khiện hoạt động Điều khiển van thứ cấp Điều chỉnh áp suất dầu lên ly hợp phụ thuộc vào điều kiện hoạt động Điều khiển thay đổi tỷ số truyền của puley Truyền áp suất dầu đến các phần tương ứng tuỳ theo vị trí đã chọn của cần số Đóng mở ly hợp tiến lùi Điều khiển van khoá biến mô và van điều khiển Van chuyển đổi tiến lùi. Van chuyển đổi được khiển bằng các van điện từ tương ứng. 1.2.3 Nguyên lý hoạt động 23 Hình 1.29: Vị trí của hai puly theo từng tuỳ số truyền Hộp số tự động không sử dụng các cặp bánh răng để thay đổi tỷ số truyền cho từng cấp số. Thay vào đó nó dùng hệ thống ròng rọc được nối với nhau bằng dây curoa (có thể bằng kim loại hoặc cao su chịu lực). Cấu tạo ròng rọc bao gồm hai bề mặt vát 20 độ hình nón được đặt ngược đỉnh với nhau, khoảng cách giữa 2 khối nón có thể điều chỉnh để tiến lại gần hoặc ra xa nhau. Mỗi dây đai chạy trong rãnh của hai mặt côn này. Khi hai mặt côn cách xa nhau đường kính làm việc giảm xuống dây đai sẽ chạy ở vị trí thấp của rãnh và bán kính cong của vòng đai xung quanh puly nhỏ lại. Khi hai mặt côn sát vào nhau đường kính làm việc tăng lên dây đai tiếp xúc ở vị trí cao của rãnh bán kính vòng đai trở lên lớn hơn. CVT có thể dùng áp suất thủy lực, lực ly tâm hoặc lực của lò xo tạo ra lực cần thiết để điều chỉnh hai nửa của puly. Các chế độ chuyển số của hộp số CVT Số D 24 Hình 1.30: Sơ đồ đường truyền moment khi ở số D Người lái chuyển cần gạt số sang số D thì thì lúc này bộ phanh số lùi OFF và bộ ly hợp số tiến ON. Do đó, bánh răng mặt trời được gắn chặt với bánh răng bao vì thế bộ truyền bánh răng hành tinh trở thành một khối. khi đó momnent được truyền từ trục đầu vào của hộp số qua bộ bánh răng hành tinh đến puly sơ cấp, thông qua đai truyền dẫn động puly thứ cấp quay truyền moment đến trục đầu ra. Puly sơ cấp và thứ cấp quay cùng chiều với trục đầu vào của hộp số do đó trục đầu vào với trục đầu ra quay cùng chiều. Số N 25 Hình 1.31: Sơ đồ đường truyền moment khi ở số N Khi cần gật số ở vị trí N thì lúc này cả bộ phanh số lùi và bộ ly hợp số tiến đều ở trong trạng thái OFF. Do đó momnet không được truyền đến puly sơ cấp dẫn đến puly thứ cấp không nhận được moment nên trục đầu ra của hộp số không quay. Khi đỗ xe thì chúng ta chuyển cần gạt số sang số P lúc này puly thứ cấp sẽ bị khoá bởi khoá đỗ xe. Chốt khoá đỗ xe sẽ khoá lại bánh răng khoá của puly thứ cấp để ngăn cản sự chuyển động của xe khi đang đỗ. Hình 1.32: Cấu tạo khoá đỗ xe 26 Số R Hình 1.33: Sơ đồ đường truyền moment khi ở số R Khi cần gạt số được chuyển sang vị trí R (số lùi), bộ ly hợp số tiến sẽ OFF và bộ phanh số lùi ON. Do đó cần dẫn của bánh răng hành tinh bị cố định với vỏ hộp số thông qua bộ phanh số lùi làm cho bánh răng hành tinh quay quanh trục của nó nên bánh răng mặt trời quay ngược chiều với bánh răng bao. Moment từ động cơ truyền vào trục đầu vào của hộp số được truyền đến bánh răng bao và sau đó truyền đến bánh răng mặt trời thông qua các bánh răng hành tinh. Sau đó moment được truyền đến puly thứ cấp qua đai truyền đến puly sơ cấp và tới trục đầu ra của hộp số. Trục đầu ra của hộp số sẽ chuyển động ngược chiều với trục đầu vào. 1.3 Đặc tính động học và động lực học của xe dùng hộp số vô cấp 1.3.1 Đặc tính động học Đặc tính ngoài của động cơ đốt trong Đồ thị cân bằng lực kéo vào cân bằng công suất ở hộp số sàn ba cấp độ: Phương trình cân bằng lực kéo: Fk = Ff ± Fi + Fω ± Fj + Fm ; Fψ = Ff ± Fi 27 Pe max Pe Me Pem Me nmi Trong đó: n Mep np nma ne Hình 1.34: Đồ thị đặc tính động học của động cơ đốt trong Fk: lực kéo tiếp tuyến ở các bánh xe chủ động Ff: lực cản lăn ở các bánh xe Fi: lực cản lên dốc Fω: lực cản không khí Fj: lực cản quán tính Fm: lực cản rơ-móc Hình 1.35: Đồ thị cân bằng lực kéo 28 Tại điểm A là giao điểm của đường Fk3 và Fψ + Fω thì vận tốc của ô tô là lớn nhất (vmax). Tại A thì ô tô không còn khả năng tăng tốc và leo dốc cao hơn. Nhưng vì hộp số CVT thay đổi tỷ số truyền liên tục nên tại thời điểm này, hộp số có thể chuyển sang một tỷ số truyền khác (tạo đường Fk3’). Lúc này điểm A sẽ chuyển thành A’ nằm sau điểm A, lực kéo dự trữ tăng lên làm tăng khả năng tăng tốc và leo dốc. 1.3.2 Đặt tính động lực học Nhân tố động lực học D của ô tô thể hiện khả năng ô tô thắng lực cản tổng cộng và khả năng tăng tốc. Hình 1.36: Đồ thị nhân tố động lực học Ta xét hai xe có đặc tính động lực học là như nhau (D1 = D2 = D). Xe thứ nhất có hộp số có 3 số truyền, xe thứ hai có hộp số có 4 số truyền. Cả hai xe đều có tỷ số truyền thứ nhất (số I) và số cuối cùng là như nhau. Dựa vào hai đồ thị, nếu hai ô tô cùng chuyển động trên cùng một loại đường có hệ số cản tổng cộng bằng nhau là Ψ2, thì vận tốc của ô tô có 4 số truyền là v2max” sẽ lớn hơn vận tốc của ô tô có 3 số truyền là v2max’. Nếu ta thay đổi một hệ số cản khác là Ψ1< Ψ2 thì kết quả nhận được cũng tương tự (v1max’ < v1max”). 29 Như vậy, ta có thể nhận xét rằng nếu tăng số lượng số truyền trong hộp số sẽ dẫn đến tăng vận tốc trung bình của ô tô. Trong khi hộp số CVT có tỷ số truyền biến thiên liên tục, nên điều này sẽ giúp tăng vận tốc trung bình của xe. Ngoài ra, xe sử dụng hộp số CVT còn có khả năng leo dốc tốt hơn các xe khác không trang bị hộp số CVT, để chứng minh điều này, ta có thể so sánh giữa đồ thị đặc tính động lực học của hộp số CVT và hộp số thường. Hình 1.37: Đồ thị đặc tính động lực học của xe Vì hộp số CVT thay đổi tỷ số truyền liên tục nên ta có được đường cong của nhân tố động lực học của hộp số CVT là đường nét đậm như trên đồ thị. Tại thời điểm v’, hộp số CVT cho nhân tố động lực học Dv cao hơn cả ở tay số 1 và tay số 2 của hộp số thường, thế nên tạo cho xe sử dụng hộp số CVT có khả năng leo dốc tốt hơn trong cùng một thời điểm. 1.4 Ưu và nhược điểm của hộp số tự động vô cấp CVT 1.4.1 Ưu điểm Do hộp số có cấu tạo gọn gàng, kích thước nhỏ nên có khối lượng nhẹ hơn hộp số thông dụng, giúp giảm khối lượng xe và không chiếm nhiều diện tích trong khoang động cơ. Hộp số tự động vô cấp cvt sử dụng puly và dây đai để thay đổi tỷ số truyền thay cho các cặp bánh răng nên cho phép hộp số thay đổi số liên tục mà không có sự ngắt quãng, do đó: 30 Tạo ra sự tăng tốc đều đặn từ lúc đứng yên cho tới lúc đạt tốc độ ổn định, không xảy ra tình trạng giật đột ngột (shift-shock) khi chuyển số giống như các hộp số thông dụng. Hạn chế xe giảm tốc khi sang số đặc biệt là khi leo dốc. Đáp ứng ổn định và êm dịu hơn trong các tình trạng thay đổi đột ngột vận tốc như tăng ga hay giảm ga, luôn đạt được số vòng tua tối ưu ở mọi tốc độ di chuyển, điển hình như Toyota Vios CVT 2016 có số vòng tua chỉ khoảng 1.300 – 1.400 vòng/phút khi chạy đều ở tốc độ 80km/h, trong khi ở phiên bản Vios trước đó cùng động cơ 1.5L nhưng hộp số tự động 4 cấp có số vòng tua tới 2.000 vòng/phút khi chạy tốc độ như trên. Chính vì sự ổn định mà hộp số tự động vô cấp cvt mang lại một phần nào đó sẽ giúp tiết kiệm được nhiên liệu cho động cơ và giảm lượng khí thải ra môi trường. 1.4.2 Nhược điểm Do sự hạn chế của dây đai nên hộp số không thể truyền được moment lớn. Chính vì vậy hộp số chỉ được trang bị trên những dòng xe có công suất nhỏ như Toyota vios, Mitsubishi Attrage, Honda City, Hyundai Accent,… Khi tăng tốc đột ngột hoặc ở vòng tua máy cao, hộp số sẽ tạo ra tiếng ồn và thậm chí nếu xe cách âm không tốt thì có thể vọng vào khoang hành khách do đã xảy ra hiện tượng trượt đai giữa hai puly. Ngoài ra dây đai có tuổi thọ khá ngắn, trung bình là khoảng 50.000km. Vì sự ổn định khi nên người lái sẽ không cảm nhận được sự chuyển số, không tạo được cảm giác lái chân thực cho những người đam mê thể loại xe thể thao. Chính vì điều này mà nhiều hộp số CVT được trang bị thêm các cấp số ảo nhằm tạo cảm giác sang số cho người lái. 1.5 Các loại hộp số tự động vô cấp khác 1.5.1 Cone CVT 31 Hộp số CVT sử dụng các trục côn là loại hộp số CVT đơn giản nhất. Hộp số gồm hai trục côn đặt ngược nhau và một bộ phận trung gian ở giữa, vòng xoay có thể thay thế bằng con lăn hoặc dây đai. Hộp số truyền moment qua lực ma sát giữa các chi tiết. Việc thay đổi hành trình của bộ phận trung gian sẽ thay đổi bán kính tiếp xúc của hai trục côn từ đó thay đổi tỷ số truyền moment một cách liên tục. Hình 1.38: Bộ truyền moment vô cấp hình côn 1.5.2 Hydrostatic CVT (hộp số vô cấp thuỷ tĩnh) Hộp số thuỷ tĩnh gồm hai phần chính là bơm và motor. Trục của bơm được dẫn động bằng bằng động cơ để bơm dầu theo các đường ống vào motor thuỷ tĩnh, tại motor thuỷ tĩnh, áp lực và lưu lượng dầu sẽ được chuyển thành chuyển động quay làm quay bánh xe. Thực tế, hộp số thuỷ tĩnh thường được trang bị trên các dòng xe nông nghiệp như xe máy kéo, máy cày, máy xúc,… và các dòng xe nâng. Hộp số thuỷ tĩnh trên xe nâng của hãng Linde Bơm và motor thuỷ tĩnh trên xe nâng được cấu tạo tương tự nhau gồm ba phần chính là đĩa quay, piston và xylanh. Các đĩa quay được đặt nghiêng, độ nghiêng của đĩa quay ở bơm có thể điều chỉnh được trong khi ở motor thuỷ lực thì không. Khi bơm hoạt động, trục của bơm sẽ kéo đĩa quay quay, thông qua các khớp nối với piston sẽ chuyển chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến, ép dầu trong các xylanh. Khi xe đứng im, đĩa quay ở vị trí trung gian, hành trình của piston bằng không nên không tạo ra áp suất dầu, bánh xe không chuyển động. Khi người lái nhấn bàn đạp ga tiến hoặc lùi, đĩa xoay sẽ nghiêng một góc nhất định, piston sẽ di chuyển tịnh tiến trong lòng xylanh tạo ra hai đường dầu áp suất cao và áp suất thấp tác động liên tục 32 vào đĩa quay của motor thuỷ lực làm quay bánh xe. Đĩa quay càng nghiêng thì xe càng tăng tốc. Do việc chuyển đổi số tiến số lùi bằng cách thay đổi độ nghiên của đĩa xoay nên việc điều khiển xe nâng trở nên dễ dàng và linh hoạt. 1.5.3 Toroidal CVTs Hình 1.39: Bộ truyền moment vô cấp dạng đĩa xuyến Nguyên lý thay đổi tỉ số truyền liên tục Moment từ động cơ tới đĩa chủ động, thông qua con lăn moment tiếp tục được truyền qua đĩa bị động từ đó tới đầu ra hộp số. Bằng cách thay đổi độ nghiêng của con lăn, hộp số vô cấp Toroidal CVTs có thể thay đổi tỷ số truyền liên tục. Con lăn Đĩa chủ động Đĩa bị động Hình 1.40: Nguyên lý thay đổi tỷ số truyền 33 Các điểm tiếp xúc giữa đĩa chủ động với con lăn tạo thành vòng tròn với tâm nằm trên trục sơ cấp hộp số, đường kính là khoảng cách hai điểm đó, tương tự các điểm tiếp xúc giữa con lăn và đĩa bị động cũng tạo thành vòng tròn như vậy và có tâm nằm trên trục thứ cấp. Hai vòng tròn này có bán kính khác nhau. Tỷ số giữa hai bán kính này chính là tỷ số truyền tốc độ giữa hai trục sơ cấp và thứ cấp. Đây cũng là tỷ số truyền của hộp số. Khi vòng tròn trên đĩa bị động lớn hơn đĩa chủ động thì đĩa bị động sẽ quay chậm hơn tương ứng với tỷ số truyền giảm trên hộp số sử dụng bánh răng thông thường. Ngược lại, khi vòng tròn trên đĩa bị động nhỏ hơn đĩa chủ động thì tương ứng với tỷ số truyền tăng. Ta có công thức tính tỷ số truyền hộp số: i = r0 / ri Từ động cơ Đĩa chủ động Đến các bánh xe Đĩa bị động Con lăn Hình 1.41: Công thức tính tỷ số truyền Mặc dù hộp số vô cấp Toroidal CVTs thay đổi tỷ số truyền bằng cách xoay các con lăn nhưng hộp số không tác dụng lực trực tiếp để xoay chúng mà lực để xoay các con lăn được cung cấp bởi các đĩa quay. Vì các đĩa quay với tốc độ cao nên việc sử dụng lực của các đĩa quay để điều khiển con lăn cho phép con lăn nghiêng ngay lập tức, liên tục và mượt mà. Điều này giúp hộp số thay đổi tỷ số truyền nhanh chóng. Cấu tạo của cần điều khiển con lăn bao gồm con lăn gắn một trục quay. Trục này có thể chuyển động tịnh tiến lên xuống và được điều khiển bằng một piston thuỷ lực. 34 Trục quay Đĩa quay Con lăn Dầu thuỷ lực Hình 1.42: Cấu tạo hệ thống điều khiển Khi trục của con lăn đi qua tâm của đĩa quay, lực do đĩa quay tác động vào con lăn sẽ vuông góc với trục của con lăn, điều này sẽ giữ nguyên vị trí của con lăn. Nhưng khi hệ thống đẩy con lăn lên phía trên, lúc này lực tác động từ đĩa lên con lăn sẽ nằm theo phương xiên (lực A), lực này sẽ được phân tác ra thành hai lực thành phần có phương vuông góc (lực B) và trùng với đường tâm của con lăn (lực C). Chính lực trùng với đường tâm của con lăn sẽ tạo ra một moment quay làm quay con lăn theo chiều của lực, giúp hộp số thay đổi tỷ số truyền. Hình 1.43: Các lực tạo ra khi điều khiển Khi hệ thống đưa con lăn về vị trí ban đầu, lúc này con lăn vẫn giữ nguyên độ nghiêng như trước đó, tỷ số truyền vẫn không đổi. Để thay đổi lại tỷ số truyền, hệ 35 thống sẽ kéo con lăn về phía dưới (phía ngược lại ban đầu) một khoảng tương đương. Lúc này đường tâm của con lăn và tâm của đĩa sẽ bị lệch, tương tự, lực tác động từ đĩa vào con lăn (lực A’) sẽ có phương xiên. Lực này sẽ vẫn phân tác thành hai lực thành phần (lực B’ và lực C’), nhưng lúc này, lực thành phần có phương trùng với đường tâm con lăn (lực C’) sẽ có chiều ngược lại với chiều trước đó (khi đẩy con lăn đi lên). Điều này tạo ra moment có chiều ngược lại kéo con lăn về vị trí ban đầu, không còn độ nghiêng như trước đó. Bởi vì những đĩa quay với vận tốc rất nhanh, để những con lăn nghiêng đúng góc phù hợp thì hệ thống chỉ cần di chuyển chúng lên xuống một khoảng rất nhỏ (từ 0.1 tới 1 mm). Chính vì điều này giúp cho hộp số tự động toroidal cvt có thể phản hồi ngay lập tức việc thay đổi tỷ số truyền. Trên thực tế, hộp số tự động vô cấp toroidal cvt của Nissan với tên gọi là EXTROID CVT được cấu tạo với hai bộ đĩa quay cùng với các con lăn được sắp xếp liên tiếp với nhau. Hai bộ đĩa quay được sắp xếp đối diện nhau, moment được truyền từ hai đĩa chủ động qua các con lăn tới hai đĩa bị động, thông qua một cặp bánh răng trụ ở giữa hai đĩa này, moment tiếp tục truyền tới trục trung gian. Trục trung gian nối với trục thứ cấp qua một cặp bánh răng trụ khác, moment cũng từ đây được truyền tới trục thứ cấp, qua các cơ cấu khác tới các bánh xe. Với việc nhân đôi số đĩa quay và con lăn, hộp số cũng có gấp đôi điểm tiếp xúc giữa con lăn và đĩa quay. Điều này giúp hộp số có thể truyền được những moment lớn hơn. Dầu chuyên dụng hộp số vô cấp toroidal CVT Dầu chuyên dụng hộp số đóng vai trò như chất trung gian giữa đĩa quay và con lăn. Nhiệm vụ của dầu hộp số là bôi trơn, tăng hiệu suất làm mát, tránh làm dầu bị biến chất và ngăn chặn sự mài mòn giữa đĩa quay và con lăn. Tuy nhiên, mặc dù moment được truyền giữa các đĩa quay và con lăn nhưng chúng không được truyền trực tiếp bằng ma sát mà được truyền qua dầu hộp số chuyên dụng, do đó, dầu hộp số còn có một chức năng khác là truyền moment giữa đĩa quay và con lăn. Để đáp ứng được những nhiệm vụ của dầu chuyên dụng hộp số, Nissan đã cho ra đời loại dầu chuyên dụng có chứa những hạt nhỏ có hình dáng như những cái nêm giúp chúng có thể bám và khoá vào nhau một cách ngay ngắn khi ở áp suất cao tạo nên cấu trúc phân tử đặc biệt. Chính cấu trúc này đã giúp dầu hộp số truyền moment từ đĩa quay sang con lăn mà vẫn đảm bảo được các nhiệm vụ khác. 36