Tài liệu Bài tiểu luận nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển trong các loại hộp số tự động

THIẾT KẾ MÔN HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI CƠ SỞ 2 KHOA CƠ KHÍ BỘ MÔN KỸ THUẬT MÁY ---------------- THIẾT KẾ MÔN HỌC TRUYỀN ĐỘNG CÔNG SUẤT Đề tài: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH ĐIỀU KHIỂN TRONG CÁC LOẠI HỘP SỐ TỰ ĐỘNG GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN : SINH VIÊN THỰC HIỆN : TS.NGUYỄN HỮU CHÍ 1. PHAN ĐÌNH HẢI 2. HUỲNH HÙNG HẬU 3. TÔ TRUNG HIẾU 4. NGUYỄN PHI HÙNG LỚP NHÓM : CƠ ĐIỆN TỬ_K53 : 02 TP HCM - 2015 LỚP: CƠ ĐIỆN TỬ_K53 Page 1 THIẾT KẾ MÔN HỌC Nhận xét của GVHD: ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… LỚP: CƠ ĐIỆN TỬ_K53 Page 2 THIẾT KẾ MÔN HỌC Nội dung và yêu cầu : 1. Tổng quan về điều khiển hộp số tự động. 2. Cấu tạo và các cụm chi tiết chính trong hệ thống điều khiển. 3. Nguyên lý hoạt động của hệ thống điều khiển. 4. Kết luận và đánh giá. Phần 1: SVTH Huỳnh Hùng Hậu Phần 2, 3: SVTH Phan Đình Hải, Tô Trung Hiếu, Nguyễn Phi Hùng LỚP: CƠ ĐIỆN TỬ_K53 Page 3 THIẾT KẾ MÔN HỌC MỤC LỤC Trang bìa…………………………………………………………………...……1 Trang Nhận xét của GVHD…………………………………………………….2 Nội dung và yêu cầu...........……………………………………………………..3 Tổng quan về điều khiển hộp số tự động ...................................................... ......5 Cấu tạo và các cụm chi tiết chính trong hệ thống điều khiển...............................15 Nguyên lý hoạt động của hệ thống điều khiển.....................................................30 Kết luận và đánh giá.............................................................................................41 LỚP: CƠ ĐIỆN TỬ_K53 Page 4 THIẾT KẾ MÔN HỌC I. TỔNG QUAN VỀ HỘP SỐ TỰ ĐỘNG Tổng quan về hộp số tự động I.Khái quát Trên xe sử dụng hộp số thường, thì lái xe phải thường xuyên nhận biết tải và tốc độ động cơ để chuyển số một cách phù hợp. Khi sử dụng hộp số tự động như vậy, những sự nhận biết như vậy là không cần thiết. Việc chuyển đến vị trí số thích hợp nhất được thực hiện một cách tự động theo tải động cơ và tốc độ xe. Với các xe có hộp số tự động thì người lái xe không cần suy tính khi nào cần lên số hoặc xuống số. Các bánh răng tự động chuyển số tùy thuộc vào tốc độ xe và mức đạp bàn đạp ga. Một hộp số mà trong đó việc chuyển số bánh răng được điều khiển bằng ECU (Bộ điều khiển điện tử) được gọi là ECT-Hộp số điều khiển điện tử và một hộp số không sử dụng ECU được gọi là hộp số tự động thuần thủy lực. Hiện nay các xe đếu sử dụng ECT. Đối với một số xe thì phương thức chuyển số có thể được chọn tùy theo ý muốn của lái xe và điều khiển đường xá. Cách này giúp cho việc tiết kiệm nhiên liệu, tính năng và vận hành xe được tốt hơn. LỚP: CƠ ĐIỆN TỬ_K53 Page 5 THIẾT KẾ MÔN HỌC II. Lịch sử phát triển Ngay từ những năm 1900, ý tưởng về một loại hộp số tự động chuyển số đã được các kỷ 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 trang bị hộp số tự động. Việc điều khiển ô tô được đơn giản hóa vì không còn bàn đạp ly hợp. Tuy nhiên do chế tạo phức tạp và khó bảo dưỡng sửa chửa 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 đời các loại xe mới với hộp số tự động đi kèm. Từ đó đến nay hộp số tự đông đã phát triển không ngừng và dần thay thế 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 tăng tính an toàn khi sử dụng, hộp số tự đông có cấp điều khiển bằng điện tử (ECT) ra đời. Vẫn chưa hài lòng với các cấp tỷ số truyền trên ECT, các nhà sản xuất ô tô đã nghiên cứu và chế tạo thành công một loại hộp số tự động với vô số cấp tỷ số truyền (Hộp số tự động vô cấp) vào cuối thế kỷ XX cụ thể như sau: + Hộp số tự đông (HSTĐ) theo công bố của tài liệu công nghiệp ô tô CHLB Đức ra đời năm 1934 tại hãng Chysler. Ban đầu HSTĐ sử dụng Ly hợp thủy lực và Hộp số hành tinh điều khiển hoàn toàn bằng van con trượt thủy lực, sau đó chuyển sang dùng Biến momen thủy lực đến ngày nay, tên gọi ngày nay sử dụng là AT. + Tiếp sau đó là hãng ZIL (Liên xô cũ 1949) và các hãng Tây Âu khác (Đức, Pháp, Thụy Sỹ). Phần lớn các HSTĐ dùng trong thời kỳ này dùng HSHT 3, 4 cấp trên cơ sở của bộ truyền hành tinh 2 bậc tự do kiểu Wilson, kết cấu AT + Tiếp sau đó là hãng ZIL (Liên Xô cũ 1949) và các hãng Tây Âu khác (Đức, Pháp , Thụy Sĩ). Phần lớn là các HSTĐ trong thời kì này dùng hộp số hành tinh 3,4 cấp trên cơ sở của bộ truyền hành tinh 2 bậc tự do kiểu WILSON, kết cấu AT. LỚP: CƠ ĐIỆN TỬ_K53 Page 6 THIẾT KẾ MÔN HỌC +Sau những năm 1960 HSTĐ dùng trên oto tải và ôto buýt với biến momen thủy lực và hộp số cơ khí có các cặp bánh răng ăn khớp ngoài, kết cấu AT. + Sau năm 1978 chuyển sang loại HSTĐ kiểu EAT (điều khiển chuyển số bằng thủy lực điện tử), loại này ngày nay đang sử dụng. + Một loại hộp số tự động khác là hộp số vô cấp sử dụng bộ truyền đai kim loại (CVT) với các hệ thống điều khiển chuyển số bằng thủy lục điện tử , (cũng là 1 dạng HSTĐ). + 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, HSTĐ có 8 số truyền ..... Hệ thống truyền thủy lực sử dụng HSTĐ được gọi là hệ thống truyền lực cơ khí thủy lực điện tử, là khu vực có nhiều ứng dụng của kĩ 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 theo 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 và có thêm chức năng sang số bằng cần như hộp số thường. Ngày nay hộp số tự động đã được sử dụng khá rộng rãi trên các xe du lịch, thậm chí trên các xe 4WD và xe tải nhỏ. Ở nước ta, hộp số tự động xuất hiện từ những năm 1990 trên các xe nhập về từ Mĩ và Châu Âu. Tuy nhiên do khả năng công nghệ còn hạn chế việc bảo dưỡng, sửa chữa rất khó khăn nên vẫn ít sử dụng. Hiện LỚP: CƠ ĐIỆN TỬ_K53 Page 7 THIẾT KẾ MÔN HỌC nay cùng với những tiến bộ của khoa học kĩ thuật, công nghệ chế tạo hộp số tự động cũng được hoàn chỉnh, hộp số tự động đã khẳng định được tính ưu việt của nó và dần thay thế hộp số thường. III. Phân Loại Có nhiều cách để phân loại hộp số tự động 1. Phân loại theo tỉ số truyền  Hộp số tự động vô cấp: Là loại hộp số có khả năng thay đổi tự động , liên tuc tỉ số truyền nhờ sự thay đổi bán kính quay của các puly.  Hộp số tự động có cấp: Khác với hộp số vô cấp, hộp số tự động có cấp cho phép thay đổi tỉ số truyền theo các cấp số nhờ các bộ truyền bánh răng. LỚP: CƠ ĐIỆN TỬ_K53 Page 8 THIẾT KẾ MÔN HỌC 2.Phân loại theo cách điều khiển Theo cách điều khiển có thể chia hộp số tự động làm 2 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 hoàn toàn bằng thủy lực, loại kia là điều khiển điện tử ( ECT ), nó sử dụng ECU để điều khiển và có thêm chức năng chẩn đoán và dự phòng. Hộp số điều khiển hoàn toàn bằng thủy lực hoạt động bới sự biến đổi một cách cơ khí tốc độ xe thành áp suất li tâm và độ mở bướm ga thành áp suất bướm ga rồi dùng các áp suất thủy lực này điều khiển hoạt động của các li hợp và phanh trong cụm bánh răng hành tinh, do đó điều khiển thời điểm lên xuống số . Nó được gọi là phương pháp điều khiển thủy lực. Mặt khác đối với các hộp số điều khiển điện tử ECT, các cảm biến phát hiện tốc độ xe và độ mở bướm ga biến chúng thành tín hiệu điện và gởi chúng về bộ điều khiển ECU. Dựa trên tín hiệu này ECU điều khiển hoạt động các ly hợp, phanh thông qua các van và hệ thống thủy lực. -Hộp số tự động điều khiển hoàn toàn bằng thủy lực: Điều khiển chuyển số cơ học bằng cách phát hiện tốc độ xe bằng thủy lực thông qua van điều tốc và phát hiện độ mở bàn đạp ga từ bướm ga thông qua độ dịch chuyển của cáp bướm ga.  Loại điều khiển điện tử kết hợp thủy lực LỚP: CƠ ĐIỆN TỬ_K53 Page 9 THIẾT KẾ MÔN HỌC Loại này sử dụng ECU – ECT để điều khiển hộp số thông qua các tín hiệu điều khiển điện tử. Sơ đồ tín hiệu điều khiển: Tín hiệu điện của các cảm biến ( cảm biến tốc độ, cản biến vị trí chân ga... ) và tín hiệu thủy lực từ bàn đạp ga ( qua cáp chân ga →bướm ga→cảm biến vị trí bướm ga )→ECU động cơ→ECT - ECU→Van điện từ→Các cần sang số→Bộ bánh răng hành tinh và bộ biến mô.  Loại điều khiển điện tử hoàn toàn thủy lực: Loai này sử dụng cáp bướm ga và các tín hiệu điện tử điều khiển để điều khiển hộp số tự động. Sơ đồ tín hiệu điều khiển: Bàn đạp ga→Cáp dây ga→Cáp bướm ga→van bướm ga, van ly tâm→Van sang số→Bộ truyền bánh răng hành tinh và bộ biến mô. LỚP: CƠ ĐIỆN TỬ_K53 Page 10 THIẾT KẾ MÔN HỌC -Hộp số tự động điều khiển bằng điện tử: Hộp số này sử dụng áp suất thủy lực để tự động chuyển số theo các tín hiệu điều khiển của ECU. ECU điều khiển các van điện từ tùy theo tình trạng của động cơ và của xe do các bộ cảm biến xác nhận, từ đó điều khiển áp suất dầu thủy lực. Sơ đồ tín hiệu điều khiển: Tín hiệu điện từ các cảm biến ( cảm biến chân ga, cảm biến dầu hộp số, cảm biến tốc độ động cơ, cảm biến tốc độ xe, cảm biến đếm vòng quay, cảm biến tốc độ tuabin...) và tín hiệu điện từ bộ điều khiển thủy lực→ECT động cơ và ECU→tín hiệu điện đến các van điện từ→bộ biến mô và bánh răng hành tinh. LỚP: CƠ ĐIỆN TỬ_K53 Page 11 THIẾT KẾ MÔN HỌC 3.Phân loại theo cấp số truyền: Có nhiều loại hộp số tự động, hiện nay thông dụng nhất là loại có 4,5,6 cấp số, có một số loại xe còn được trang bị hộp số 8 cấp. 4.Phân loại theo cách bố trí trên xe: - Loại FF: Hộp số tự động sử dụng cho xe có hộp số đặt trước, cầu trước chủ động. Loại này được thiết kế gọn do chúng được bố trí ở khoang động cơ LỚP: CƠ ĐIỆN TỬ_K53 Page 12 THIẾT KẾ MÔN HỌC LỚP: CƠ ĐIỆN TỬ_K53 Page 13 THIẾT KẾ MÔN HỌC - Loại FR: Hộp số tự động sử dụng cho xe có động cơ đặt trước, cầu sau chủ động. Loại này có bộ truyền bánh răng cuối cùng( vi sai ) lắp ở bên ngoài nên nó dài hơn. IV: Chức năng của hộp số tự động Về cơ bản hộp số tự động có chức năng như hộp số thường, tuy nhiên hộp số tự động cho phép đơn giản hóa việc điều khiển hộp số, quá trình chuyển số êm dịu, không cần ngắt đường truyền công suất từ động cơ xuống khi sang số. Hộp số tự động tự chọn tỉ số truyền phù hợp với điều kiện chuyển động của oto, do đó tạo điều kiện chuyển động gần như tối ưu công suất của động cơ. Vì vậy hộp số tự động có những chức năng cơ bản sau: -Tạo ra cấp tỉ số truyền phù hợp nhằm thay đổi momen xoắn từ động cơ đến các bánh xe chủ động phù hợp với momen cản luôn thay đổi và nhằm tận dụng tối đa công suất động cơ. -Giúp cho xe thay đổi chiều chuyển động. -Đảm bảo cho xe dừng tại chỗ mà không cần tắt máy hoặc tách ly hợp. V. Ưu, nhược điểm của hộp số tự động a) Ưu điểm - Giảm bớt mệt mỏi cho người lái xe bằng cách loại bỏ các thao tác cắt ly hợp và thường xuyên phải chuyến số. - Nó chuyển số một cách tự động và êm dịu tại các tốc độ thích hợp 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 cắt ly hợp. LỚP: CƠ ĐIỆN TỬ_K53 Page 14 THIẾT KẾ MÔN HỌC - Nó 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 - Thời gian sang số và hành trình tăng tốc nhanh. - Không bị va đập khi sang số, không cần bộ đồng tốc. b) 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. II. CẤU TẠO VÀ CÁC CỤM CHI TIẾT CHÍNH TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 1. Hệ thống điều khiển điện tử LỚP: CƠ ĐIỆN TỬ_K53 Page 15 THIẾT KẾ MÔN HỌC 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. Các cảm biến khác nhau, một ECU và các loại van điện từ. Sơ đồ sau chỉ ra mối liên hệ giữa các chi tiết. 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. Các cảm biến khác nhau, một ECU và các loại van điện từ. Sơ đồ sau chỉ ra mối liên hệ giữa các chi tiết. 1.1 Các bộ phân điều khiển điện tử Các bộ phận trong hệ thống điều khiển LỚP: CƠ ĐIỆN TỬ_K53 Page 16 THIẾT KẾ MÔN HỌC 1.2 mạch điều khiển điện tử 1.3 công tắc chọn chế đô hoạt động Công tắc chọn chế độ hoạt động cho phép người lái chọn chế độ hoạt động mong muốn (bình thường hay tải nặng). Công tắc chọn chế độ hoạt động LỚP: CƠ ĐIỆN TỬ_K53 Page 17 THIẾT KẾ MÔN HỌC - ECT ECU chọn sơ đồ chuyển số, khóa biến mô và chế độ hoạt động đã chọn. - ECT ECU có cực PWR nhưng không có cực NORMAL. Khi chọn chế độ hoạt động , điện áp 12V được cấp lên cực PWR và ECT ECU nhận biết rằng đã chọn chế độ POWER. Khi chọn chế độ NORMAL, điện áp 12V không được cấp lên cực PWR nữa và ECT ECU biết rằng đã chọn chế độn NORMAL. Các tiếp điểm của công tắc này cũng được sử dụng để bật một trong các đèn báo vị trí của công tắc để báo cho người lái biết chế độ hoạt động. 1.4 Công tắc khởi động trung gian ECT ECU nhận thông tin về số đang gài từ cảm biến vị trí gài số được gắn trong công tắc khởi động trung gian, sau đó xác định chế độ gài số tương ứng. Các cực được nối điện với nhau - Trong ECT, công tắc khởi động số trung gian có tiếp điểm cho mọi vị trí số. LỚP: CƠ ĐIỆN TỬ_K53 Page 18 THIẾT KẾ MÔN HỌC - Nếu cực N, 2 hay L của ECU được nối với cực E, ECU xác định được rằng hộp số đang ở hoặc ở số N, 2 hay L. - Nếu không có cực nào trong các cực N, 2 hay L được nối với cực E, ECU xác định rằng hộp số đang ở số D. - Chú ý : Ở số P, D và R, công tắc khởi động số trung gian không gửi các tín hiệu để báo cho ECU về vị trí cần số. Ở một vài kiểu hộp số, công tắc khởi động số trung gian gửi các tín hiệu ở số R. - Tiếp điểm của công tắc này cũng được sử dụng để bật trong các đèn báo vị trí cần số, báo cho người lái biết vị trí cần số hiện tại. - Trạng thái đóng – mở của mỗi tiếp điểm được cho ra như bảng dưới. Chú ý : LỚP: CƠ ĐIỆN TỬ_K53 Page 19 THIẾT KẾ MÔN HỌC Nếu tín hiệu ECT ECU không bình thường, ECU sẽ phản ứng như sau: Hở mạch tín hiệu “ 2 “ : Khi ở vị trí “ 2 “, ECU chuyển sơ đồ cho vị trí D. Tuy nhiên do cách chế tạo mạch thủy lực, hộp số chỉ được gài lên số 3. Hở mạch tín hiệu “ L “ : Khi ở vị trí “ L “, ECU chọn vị trí gài cho vị trí D. Tuy nhiên do cách chế tạo mạch thủy lực chỉ được gài lên số 2. Hở mạch tín hiệu “ N “ : Từ “ N “ sang “ D “ không có điều khiển chống nhấc đầu. 1.5. Cảm biến vị trí bướm ga : - Cảm biến này được gắn trên bướm ga và cảm nhận bằng điện mức độ mở bướm ga sau đó nó gởi những dữ liệu này đến ECU ( dưới dạng tín hiệu điện ) để điều khiển thời điểm chuyển số và khóa biến mô. - Kiểu dán tiếp - A140E là kiểu mà ECU động cơ được gắn giữa vị trí cảm biến bướm ga ECT ECU như hình vẽ dưới. - Cảm biến vị trí bướm ga biến đổi một cách tuyến tính lúc mở bướm ga thành các tín hiệu điện. Một điện áp không đổi 5V được cấp đến điện cực Vc từ ECU động cơ. - Khi bướm ga trượt dọc điện trở theo góc mở bướm ga điện áp tác dụng lên cực Vta tỉ lệ với góc này. LỚP: CƠ ĐIỆN TỬ_K53 Page 20