Nguyên lý hoạt động của hộp số tự động

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

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

Trên hộp số tự động, bạn sẽ không tìm thấy bàn đạp ly hợp và cũng không có cần chuyển số (1, 2, 3, 4..). Bạn chỉ cần thao tác duy nhất là đưa cần chọn số vào nấc D (drive), sau đó mọi thứ đều là tự động.

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

Trong bài viết này, chúng ta cùng tìm hiểu về hộp số tự động. Chúng ta sẽ bắt đầu với điểm mấu chốt của toàn bộ hệ thống: bộ bánh răng hành tinh. Sau đó chúng ta xem cách các chi tiết của hộp số được lắp ghép như thế nào, chúng làm việc ra sao và cuối cùng hãy thảo luận về một số vấn đề phức tạp liên quan đến điều khiển hộp số tự động.

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

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

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

Nguyên lý làm việc của bộ truyền bánh răng hành tinh

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

- Một bộ truyền bánh răng hành tinh.

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

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

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

- Một bộ bơm bánh răng lớn để luân chuyển dầu truyền động trong hộp số.

Quan trọng nhất trong hệ thống là bộ truyền bánh răng hành tinh. Việc đầu tiên là chế tạo ra chúng có các tỷ số ăn khớp khác nhau và sau đó là giúp cho chúng hoạt động như thế nào. Một hộp số tự động bao gồm các bộ truyền bánh răng hành tinh cơ sở nhưng được kết hợp thành một khối trong hộp số.

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

- Bánh răng mặt trời (S)

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

- Vành răng ngoài (R)

Khi khoá hai trong ba thành phần lại với nhau sẽ khoá toàn bộ cơ cấu thành một khối (tỷ số truyền là 1:1). Chú ý rằng danh sách tỷ số đầu tiên ở trên (A) là số truyền giảm – tốc độ trục thứ cấp (đầu ra) nhỏ hơn tốc độ trục sơ cấp (đầu vào). Thứ hai (B) là số truyền tăng – tốc độ trục thứ cấp lớn hơn tốc độ trục sơ cấp. Cuối cùng cũng là số truyền giảm, nhưng chiều chuyển động của trục sơ cấp ngược với trục thứ cấp, tức là số lùi. Bạn có thể kiểm tra chúng theo sơ đồ mô phỏng sau:

Một bộ truyền bánh răng cơ sở này có thể thực hiện các tỷ số truyền khác nhau mà không cần gài ăn khớp hay nhả khớp với bất cứ bánh răng khác. Với hai bộ truyền bánh răng cơ sở ghép liền, chúng ta có thể nhận được 4 tốc độ tiến và một tốc độ lùi. Chúng ta sẽ bàn về hai bộ truyền bánh răng cơ sở ghép liền ở phần sau.

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

Hãy xem hình sau:

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

Tiếp theo bạn hãy nhìn vào bên trong của giá bánh răng hành tinh. Các bánh răng ngắn hơn được ăn khớp với bánh răng mặt trời nhỏ hơn. Các bánh răng dài hơn được ăn khớp với bánh răng mặt trời lớn hơn đồng thời với ăn khớp các bánh răng hành tinh nhỏ hơn.

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

Số 1

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

i = - R/S = - 72/30 = - 2.4/1

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

Số 2

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

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

Trục sơ cấp là trục bánh răng mặt trời nhỏ, vành răng (bánh răng mặt trời lớn) bị giữ chặt bởi một chiếc phanh đai, trục thứ cấp là giá bánh răng hành tinh. Đối với tầng này, với bánh răng mặt trời là trục sơ cấp, giá bánh răng hành tinh là trục thứ cấp, vành răng bị cố định, ta có công thức sau:

1+ R/S = 1 + 36/30 = 2.2:1

Giá bánh răng hành tinh quay được 2.2 vòng khi bánh răng mặt trời nhỏ quay được một vòng. Ở tầng hai, giá bánh răng hành tinh hoạt động như trục sơ cấp đối với bộ bánh răng hành tinh thứ hai, bánh răng mặt trời lớn hơn (bị giữ cố định) hoạt động như bánh răng mặt trời, và vành răng đóng vai trò đầu ra, vì vậy tỷ số truyền là:

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

Để nhận được sự giảm tốc tổng cộng ở số thứ hai, ta nhân tỷ số truyền của hai tầng với nhau. 2.2 x 0.67 = 1.41. Điều này tưởng như là phi lý, nhưng thực tế là như vậy.

Số 3

Đa số các hộp số tự động có một tỷ số 1:1 ở số 3. Bạn nhớ rằng ở đoạn trước ta đã biết tỷ số 1:1 là do khoá 2 trong 3 phần bất kỳ của bánh răng hành tinh. Điều này thực sự dễ hơn cả và chúng ta chỉ cần làm một việc là khoá các bánh răng mặt trời với tuốc-bin.

Nếu cả hai bánh răng mặt trời đều quay cùng tốc độ, các bánh răng hành tinh sẽ bị khoá do chúng chỉ có thể quay theo chiều ngược lại. Điều này dẫn đến khoá vành răng với các bánh răng hành tinh và tất cả quay cùng một khối tạo nên tỷ số truyền 1:1.

Tăng tốc độ

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

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

Vì vậy trục thứ cấp sẽ quay khoảng một vòng khi động cơ quay hai phần ba vòng. Nếu tốc độ động cơ là 2000 vòng/phút thì tốc độ đầu ra của hộp số là 3000 vòng/phút. Điều này cho phép chiếc xe chạy ở tốc độ cao với động cơ tốc độ vẫn ở mức trung bình và nhỏ.

Số lùi

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

i = - R/S = 72/36 = 2.0:1

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

Các tỷ số truyền

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

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

Ly hợp và phanh dải

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

Để hộp số tăng tốc độ, rất nhiều chi tiết cần phải ngắt và nối nhờ ly hợp và các đai. Giá bánh răng hành tinh nối với hộp biến mô nhờ ly hợp. Bánh răng mặt trời nhỏ nhả khỏi tuốc-bin để chúng có thể quay trơn tự do. Bánh răng mặt trời lớn bị một phanh đai giữ lại nên không thể quay được. Mỗi một trục bánh răng gây ra một loạt các vấn đề như vậy nhờ việc đóng ngắt ly hợp và các phanh đai. Hãy nhìn một chiếc phanh đai trong hộp số.

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

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

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

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

Hình tiếp theo là cách sắp xếp các đĩa ma sát và các đĩa thép theo thứ tự. Các đĩa ma sát nằm bên trong sẽ được nối với một trong các bánh răng còn các đĩa thép nằm bên ngoài thì bị khoá với vỏ của hộp số. Các đĩa ma sát cần được thay thế khi sửa chữa hộp số.

Sự phức tạp của hộp số tự động

Hộp số tự động trong xe của bạn cần phải làm hàng loạt công việc phức tạp. Chúng ta khó có thể biết bao nhiêu thao tác khác nhau trong khi nó làm việc. Tuy nhiên, những đặc điểm chính khi nó làm việc sẽ được miêu tả qua ví dụ sau:

- Nếu chiếc xe đang ở chế độ tăng tốc (chỉ với hộp số 4 tốc độ), hộp số sẽ tự động lựa chọn việc ăn khớp bánh răng theo tốc độ xe và vị trí chân ga.

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

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

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

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

Bạn đã bao giờ nhìn thấy những gì giống như thế này chưa? Đó thực sự là bộ não của hộp số tự động, nó điều hành tất cả các chức năng và hơn thế nữa. Những đường rãnh dẫn dầu thuỷ lực đi tới rất nhiều vị trí khác nhau trong hộp số. Các rãnh đúc chìm trong vật thể kim loại là những đường dẫn dầu hiệu quả nhất, nếu không có chúng, bao nhiêu đường ống có thể nối các phần trong hộp số tự động. Đầu tiên chúng ta hãy bàn về các thành phần chủ yếu của hệ thống thuỷ lực, sau đó chúng ta xem chúng làm việc với nhau như thế nào.

Hộp số tự động có một chiếc bơm thuỷ lực,thường là kiểu bơm bánh răng. Bơm này được lắp đặt ngay trên vỏ hộp số. Nó hút dầu từ thùng chứa dưới đáy hộp số và đẩy dầu vào hệ thống thuỷ lực. Nó cũng cung cấp dầu cho hệ thống làm mát của hộp số và cả bộ biến mô-men.

Bánh răng trong của bơm nối cùng với vỏ của bộ biến mô, vì vậy nó quay theo tốc độ của động cơ. Bánh răng ngoài bị quay theo bánh răng trong bằng các răng của nó, dầu thuỷ lực từ thùng chứa bị hút lên mặt bên này của khoảng không gian hình lưỡi liềm (hình trên) và đẩy dầu sang bên kia đi lên hệ thống thuỷ lực.

Điều hành hệ thống dầu là một bộ điều chỉnh thông minh có thể báo cho hộp số biết chiếc xe đang di chuyển nhanh hay chậm bao nhiêu. Nó được nối với đầu ra của hộp số, vì vậy chiếc xe càng chuyển động nhanh thì bộ điều chỉnh cũng được quay nhanh. Bên trong bộ điều chỉnh là một van lò xo ép có thể mở tùy thuộc vào sự quay nhanh của bộ điều chỉnh, bộ điều chỉnh quay càng nhanh thì van mở càng lớn. Đường dầu từ bơm lên bộ điều chỉnh được dẫn qua trục thứ cấp hộp số.

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

Để sang số thích hợp, hộp số tự động phải biết động cơ đang làm việc ở mức tải nào. Có hai cách để nhận biết điều này. Một số chiếc xe có một chiếc cáp nối bướm ga động cơ với van tiết lưu ở hộp số. Bạn càng nhấn sâu bàn đạp ga, áp suất tác dụng vào van tiết lưu càng lớn. Những chiếc xe khác sử dụng bộ van chân không để cung cấp áp suất cho van tiết lưu.

Van điều khiển vị trí cần chọn số cho biết vị trí đang đặt số. Phụ thuộc vào số nào được sử dụng, van sẽ cung cấp theo đường dầu phù hợp. Ví dụ, nếu cần số ở số 3, chiếc van sẽ cung cấp một vòng tuần hoàn để ngăn cản việc gài vào số khác.

Các van chuyển số cung cấp áp suất thuỷ lực cho ly hợp và các phanh đai để bó vào bánh răng. Thân khối van thủy lựccủa hộp số có chứa vài chiếc van chuyển số. Van chuyển số sẽ quyết định khi nào chuyển từ số này sang số khác. Chúng được bơm cung cấp dầu và đẩy dòng dầu tới một trong hai mạch vòng để điều khiển bánh răng ở số cần sử dụng.

Van chuyển số sẽ ngăn việc sang số khi chiếc xe gia tốc quá nhanh. Nếu chiếc xe tăng tốc nhẹ nhàng, việc sang số sẽ xuất hiện ở một tốc độ thấp hơn. Hãy xem điều gì xảy ra khi chiếc xe tăng tốc nhẹ nhàng.

Khi tăng tốc độ, áp suất từ bộ điều chỉnh tăng dần. Lực này buộc chiếc van chuyển số đóng mạch vòng của số thứ nhất lại và mở mạch vòng số thứ hai ra.

Khi tăng ga đột ngột, van tiết lưu cung cấp áp suất lớn hơn cho van chuyển số. Điều này nghĩa là áp suất từ bộ điều chỉnh cần phải cao hơn (và xe chuyển sang số nhanh hơn) do vậy van chuyển số dịch chuyển sang gài số thứ hai.

Mỗi van sang số đảm nhiệm một phạm vi áp suất khác nhau, do đó khi chiếc xe chuyển động nhanh hơn, van chuyển số 2 lên số 3 sẽ làm việc tiếp, vì áp suất từ bộ điều chỉnh đã đủ cao để kích hoạt van này.

Những hộp số được điều khiển bằng điện tử xuất hiện ở một số xe mới vẫn sử dụng hệ thống thuỷ lực để điều khiển những ly hợp đĩa và các phanh đai. Nhưng mỗi mạch vòng thuỷ lực được điều khiển bởi một cuộn dây điện từ. Điều này làm cho hộp số linh hoạt hơn đồng thời cho phép phối hợp điều khiển hệ thống tốt hơn.

Ở đoạn cuối cùng này, chúng ta nghiên cứu một số phương thức điều khiển tự động nữa mà hộp số này sử dụng. Những hộp số điều khiển điện tử còn bổ sung các phần điều khiển hoàn hảo hơn. Trong phần bổ sung đã thêm vào việc kiểm soát tốc độ động cơ và vị trí bướm ga, tức là bộ điều khiển hộp số còn điều khiển tốc động cơ, và giám sát cả hệ thống ABS nếu bàn đạp phanh được nhấn xuống thì chuyển sang chế độ ABS.

Tổng quan

Sử dụng những hiểu biết trên và với hệ thống điều khiển cao cấp trên cơ sở lôgic mờ - phương pháp điều khiển sử dụng trí tuệ nhân tạo, các hệ thống điều khiển điện tử còn có thể làm tiếp những việc sau:

- Chuyển xuống số thấp tự động khi xe xuống dốc để tự điều khiển tốc độ, lợi dụng phanh động cơ và hạn chế mòn má phanh.

- Tăng số khi phanh và khi bị trượt trơn bánh xe để giảm mô-men phanh nhờ động cơ

- Ngăn chặn tăng số khi xe chạy trên các đoạn đường vòng và đường vênh.

Hãy nói gì về các điều tiếp sau: hạn chế việc tăng số khi bạn đang lái xe trên đoạn đường đường vòng và đường vênh?. Khi bạn lái xe lên dốc đường đồi núi vòng vèo. Nếu bạn gặp những đoạn đường thẳng, cần chọn số đang để ở số 2 bạn cần tăng ga bao nhiêu. Nếu bạn gặp chỗ ngoặt và xuống dốc, bạn nhấc chân khỏi bàn đạp ga và đạp phanh. Đa số các hộp số sẽ tăng số đến số 3 hay là số truyền tăng tốc khi bạn nhấc chân khỏi bàn đạp ga. Rồi khi bạn tăng tốc khỏi chỗ ngoặt, chúng lại giảm số. Nhưng nếu bạn đang điều khiển một chiếc xe có hộp số cơ khí thông thường, chắc chắn bạn sẽ cho chiếc xe chạy ở một số duy nhất trong toàn chặng đường. Một vài hộp số tự động có hệ thống điều khiển cao cấp có thể nhận biết được việc bạn liên tục cua gấp, nó sẽ không thực hiện tăng giảm số liên tục.

Quang Hùng (biên dịch)