Trong thời đại Công nghiệp 4.0, nền công nghiệp Việt Nam cũng đang đứng trước nhiều khó khăn, thử thách đồng thời cũng có nhiều cơ hội tiềm năng. Ngành ô tô là một trong những ngành trọng điểm của nền công nghiệp Việt Nam. Với sự phát triển mạnh mẽ của tin học trong vai trò dẫn đường, quá trình tự động hóa đã đi sâu vào các ngành sản xuất và các sản phẩm của chúng, một trong số đó là ôtô, không chỉ làm cho người sử dụng cảm thấy thoải mái, gần gũi với chiếc xe của mình, thể hiện phong cách của người sở hữu chúng. Mà sự tự động hóa còn nâng cao hệ số an toàn trong sử dụng. Đây là lý do tại sao các hệ thống tự động luôn được trang bị cho dòng xe cao cấp và dần áp dụng cho các loại xe thông dụng. Gần đây một hãng xe được làm bởi người Việt đã ra đời VINFAST cho thấy nền công nghiệp ô tô có dấu hiệu của sự phát triển vượt bậc. Vì vậy chúng ta cần một nguồn nhận lực dồi dào năm vững kiến thức để có thể hội nhập với thế giới. Chúng em chọn đề tài: “Nghiên cứu phương pháp điều khiển mô hình hộp số tự động Toyota A140E.” với hy vọng rằng mô hình này có thể giúp sinh viên nắm rõ nguyên lý hoạt động của hộp số đồng thời suy nghĩ hướng phát triển mới cho hệ thống điều khiển hộp số. Góp phần nâng cao chất lượng sinh viên đầu ra để phục vụ cho sự phát triển của nền công nghiệp Ô tô hiện đại. Với thời gian gần 4 tháng nghiên cứu và thi công thiết kế mô hình, chúng em đã hoàn thành được nhiệm vụ đề tài đặt ra. Sản phẩm hoàn thiện gồm: Một mô hình hộp số tự động A140E hoàn chỉnh có khả năng vận hành hiển thị đầy đủ thông tin trên bảng điều khiển. Một tập thuyết minh, nội dung được thể hiện rõ qua 5 chương gồm: o CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỘP SỐ TỰ ĐỘNG A140E o CHƯƠNG 2: NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH HỘP SỐ TỰ ĐỘNG o CHƯƠNG 3: THI CÔNG LẮP RÁP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN HỘP SỐ TỰ ĐỘNG A140E o CHƯƠNG 4: VẬN HÀNH VÀ ỨNG DỤNG o CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ - Mô hình sẽ gồm 2 phần chính đó là cơ khí và điện tử tương đương với hai đề tài là “Thi công mô hình hộp số tự động A140E” và “Nghiên cứu phương pháp điều khiển hộp số tự động A140E”. Do đó phần thuyết minh của chúng em sẽ nói chủ yếu vào phần điều khiển điện tử của mô hình gồm các nội dung chính như xây dựng mô hình điều khiển hộp số tự động A140E và cải tiến và nâng cấp hệ thống điều khiển đã có. Ngoài ra sẽ thêm phần chuyển chế độ hoạt động bằng tay.
Tổng quan về hộp số tự động
Lịch sử phát triển hộp số tự động
Vào đầu thế kỷ 20, kỹ sư hàng hải Đức đã nghiên cứu và phát triển ý tưởng về hộp số tự động, dẫn đến việc GM giới thiệu chiếc Oldsmobile đầu tiên trang bị hộp số tự động vào năm 1938 Sự xuất hiện của hộp số tự động đã đơn giản hóa việc điều khiển ô tô bằng cách loại bỏ bàn đạp ly hợp, nhưng do tính phức tạp trong chế tạo và bảo trì, nó chưa được phổ biến Đến thập niên 70, hộp số tự động đã hồi sinh mạnh mẽ khi nhiều hãng ô tô cho ra mắt các mẫu xe mới sử dụng loại hộp số này Hộp số tự động ban đầu hoạt động hoàn toàn bằng thủy lực, nhưng để nâng cao độ chính xác và an toàn, hộp số điều khiển điện tử (ECT) đã được phát triển Tuy nhiên, với mong muốn cải thiện các cấp tỷ số truyền, các nhà sản xuất ô tô đã thành công trong việc chế tạo hộp số tự động vô cấp vào cuối thế kỷ 20.
Hộp số tự động (HSTD) được giới thiệu lần đầu tiên vào năm 1934 bởi hãng Chrysler, theo tài liệu công nghiệp ô tô của CHLB Đức Ban đầu, HSTD sử dụng ly hợp thủy lực và hộp số hành tinh, với cơ chế điều khiển hoàn toàn bằng van con trượt thủy lực Sau đó, công nghệ đã chuyển sang sử dụng biến mômen thủy lực, và hiện nay, HSTD thường được gọi là AT.
Sau khi hãng ZIL (Liên Xô cũ, 1949), nhiều hãng xe Tây Âu như Đức, Pháp và Thụy Sĩ cũng tham gia phát triển hộp số Trong giai đoạn này, hầu hết các hộp số tự động (HSTD) đều sử dụng cấu trúc hành tinh 3 hoặc 4 cấp, dựa trên bộ truyền hành tinh 2 bậc tự do kiểu Willson, với thiết kế tự động hóa (AT).
Sau những năm 1960, hệ thống truyền động thủy lực (HSTD) đã được áp dụng rộng rãi trên ô tô tải và ô tô buýt, với việc sử dụng biến mô men thủy lực kết hợp với hộp số cơ khí Các hộp số này thường có các cặp bánh răng ăn khớp ngoài, tạo nên một kết cấu tự động (AT) hiệu quả.
- Sau năm 1978 chuyển sang loại HSTD kiểu EAT (điều khiển chuyển số bằng thủy lực điện tử), loại này ngày nay đang sử dụng.
Một loại hộp số khác trong hệ thống truyền động là hộp số vô cấp (CVT), sử dụng bộ truyền đai kim loại và hệ thống điều khiển chuyển số bằng thủy lực điện tử.
Ngày nay, việc chế tạo các loại truyền động thông minh đã trở nên phổ biến, cho phép chuyển số dựa trên thói quen lái xe và tình huống mặt đường Hệ thống truyền lực sử dụng HSTD, với 8 số truyền, được gọi là hệ thống truyền lực cơ khí thủy lực điện tử, đang phát triển nhanh chóng và có nhiều ứng dụng kỹ thuật cao Gần đây, hộp số mới đã xuất hiện, cho phép người sử dụng lựa chọn giữa hai phương pháp chuyển số: bằng tay hoặc tự động.
Hiện nay, nhằm đáp ứng nhu cầu của khách hàng và nâng cao tính an toàn, các nhà chế tạo đã phát triển hộp số điều khiển bằng điện tử, tích hợp chức năng sang số bằng cần giống như hộp số truyền thống.
Ưu và nhược điểm của hộp số tự động
- Giảm mệt mỏi cho lái xe bằng cách loại bỏ các thao tác cắt ly hợp và thường xuyên phải chuyển số.
Hệ thống chuyển số tự động hoạt động êm ái và linh hoạt, giúp người lái dễ dàng điều khiển xe ở các tốc độ khác nhau mà không cần phải thành thạo các kỹ thuật lái xe phức tạp như vận hành ly hợp.
Việc kết nối động cơ và dòng dẫn động bằng thủy lực thông qua biến mô giúp tránh tình trạng quá tải hiệu quả hơn so với kết nối bằng cơ khí.
Hộp số tự động hoạt động dựa trên ly hợp thủy lực hoặc biến mô thủy lực, giúp tách nối công suất từ động cơ đến hộp số thông qua dòng thủy lực từ cánh bơm sang tua bin mà không cần cơ cấu cơ khí Điều này đảm bảo không có sự ngắt quãng trong dòng công suất, từ đó đạt hiệu suất cao lên đến 98%.
- Thời gian sang số và hành trình tăng tốc nhanh.
- Không bị va đập khi sang số, không cần bộ đồng tốc
- Kết cấu phức tạp hon hộp số cơ khí.
- Tốn nhiều nhiên liệu hon hộp số cơ khí.
Biến mô kết nối động cơ với hệ thống truyền động thông qua việc chuyển đổi dòng chất lỏng giữa các mặt trong hộp biến mô Khi hoạt động, hiện tượng "trượt" có thể xảy ra, dẫn đến giảm hiệu suất sử dụng năng lượng, đặc biệt là ở tốc độ thấp.
Phân loại hộp số tự động
Có nhiều cách phân loại hộp số tự động.
Phân loại heo hệ thống sử dụng điều khiển
Hệ thống điều khiển hộp số tự động được chia thành hai loại chính: điều khiển thủy lực hoàn toàn và điều khiển điện Loại điều khiển thủy lực chỉ sử dụng hệ thống thủy lực để điều khiển chuyển số, trong khi loại điều khiển điện sử dụng các chế độ đã được thiết lập trong ECU (Bộ điều khiển điện tử) để thực hiện chuyển số và khóa biến mô Điều khiển điện còn tích hợp chức năng chẩn đoán và dự phòng, thường được gọi là ECT (Hộp số điều khiển điện).
Hộp số tự động được phân loại theo hệ thống điều khiển thành hai loại chính: hộp số tự động điều khiển bằng thủy lực và hộp số tự động điều khiển bằng điện tử.
Phân loại theo vị trí đặt trên xe
Hộp số tự động không chỉ được phân loại theo cách điều khiển thủy lực hay điện, mà còn được phân loại dựa trên vị trí lắp đặt trên xe, đặc biệt là loại dành cho các xe có động cơ đặt phía trước.
Cầu trước chủ động và động cơ đặt trước, cùng với cầu sau chủ động, tạo nên sự khác biệt trong thiết kế hộp số Hộp số cho xe động cơ đặt trước - cầu trước chủ động thường nhẹ hơn vì được lắp đặt trong khoang động cơ, với bộ truyền động bánh răng cuối cùng (vi sai) tích hợp ngay trong hộp số, còn gọi là “hộp số có vi sai” Ngược lại, hộp số cho xe động cơ đặt trước - cầu sau chủ động có bộ truyền động bánh răng cuối cùng (vi sai) được lắp đặt bên ngoài, làm cho thiết kế trở nên phức tạp hơn.
Cả động cơ đặt trước - cầu trước chủ động và động cơ đặt trước - cầu sau chủ động đều được phát triển cho các dòng xe du lịch đầu tiên nhằm đáp ứng nhu cầu tự động hóa Hiện nay, hộp số tự động không chỉ được sử dụng cho xe du lịch mà còn cho xe tải và các phương tiện có hai cầu chủ động, đặc biệt là trong những địa hình khó khăn.
Hình 1.2 Sơ đồ vị trí của hộp số tự động trên xe a- Dẫn động cầu trước; b- Dẫn động cầu sau;
1- Mặt trước; 2- Cụm cầu và hộp số tự động; 3- Trục dẫn động; 4- Hộp số tự động; 5- Trục các đăng; 6- Truyền động cuối cùng của visai.
Phân loại theo tỷ số truyền
Hộp số tự động có thể được phân loại theo số cấp tiến, với đa phần là 4 cấp, nhưng nhiều nhà sản xuất đang chuyển sang các hộp số thế hệ mới với 5, 6 và hiện nay là 8 cấp Đặc biệt, Ford F-150 2017 sẽ được trang bị hộp số tự động 10 cấp, đánh dấu sự phát triển vượt bậc trong công nghệ hộp số.
Hộp số tự động vô cấp (CVT) đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi, sử dụng đai truyền bằng kim loại hoặc cao su công suất cao cùng với hai pulley có đường kính thay đổi để tạo ra tỷ số truyền khác nhau Ví dụ, hộp số MMT (Multi-Matic Transmission) được lắp trên mẫu Civic của Honda và Lancer Gala của Mitsubishi Tỷ số truyền của hộp số này được điều chỉnh linh hoạt dựa trên vòng tua của động cơ và tải trọng.
Hình 1.4 Hộp số tự động CVT
Nguyên lý làm việc chung của hộp số tự động
Dòng công suất từ động cơ được truyền qua biến mô đến hộp số và hệ thống truyền động, với biến mô đóng vai trò như một khớp nối thủy lực và cơ cấu an toàn Biến mô còn có chức năng khuếch đại mômen từ động cơ đến hệ thống truyền lực phía sau, tùy thuộc vào điều kiện sử dụng.
Hộp số không chỉ truyền công suất qua việc ăn khớp giữa các bánh răng mà còn sử dụng ly hợp ma sát để thay đổi tỷ số truyền và đảo chiều quay Để thực hiện điều này, hộp số áp dụng các phanh và cơ cấu hành tinh đặc biệt, được điều khiển tự động bằng thủy lực hoặc điện tử.
Trên thị trường hiện nay, có nhiều loại hộp số tự động được phát triển nhằm nâng cao độ chính xác và hiệu quả trong quá trình chuyển số Mặc dù giá thành và công nghệ sản xuất có sự khác biệt, nhưng chức năng cơ bản và nguyên lý hoạt động của chúng vẫn tương đồng Sự phối hợp hoạt động của tất cả các bộ phận trong hộp số tự động ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất làm việc, do đó, yêu cầu về thiết kế và chế tạo các chi tiết cấu thành hộp số là rất khắt khe.
Hình 1.5 Dòng truyền công suất trên xe có sử dụng hộp số tự động.
Tổng quan hộp số tự động A140E
Giới thiệu về hộp số tự động A140E
Hộp số tự động A140E, được phát triển từ các phiên bản trước và lần đầu tiên ra mắt trên xe Camry của Toyota vào năm 1984, đã nâng cao vị thế của dòng xe này trong thị trường xe cao cấp Nó giúp Toyota khẳng định vị thế cạnh tranh với các hãng lớn như Ford, GM và Mercedes, đặc biệt trong bối cảnh mở rộng thị trường sang Mỹ và Châu Âu trong thập kỷ 80 A140E là hộp số điện tử 4 cấp tiến và 1 cấp lùi, đại diện cho công nghệ hiện đại nhất thời bấy giờ Việc bổ sung tỷ số truyền tăng không chỉ mang lại sự lựa chọn cho người lái mà còn giúp ổn định hoạt động động cơ, giảm tiêu hao nhiên liệu và ô nhiễm Sự ra đời của A140E đã giúp Camry khẳng định vị thế và mang lại lợi nhuận lớn cho Toyota.
Các dãy số trong hộp số tự động A140E:
- “P”: Sử dụng khi xe đỗ.
- “N”: Vị trí trung gian sử dụng khi xe dừng tạm thời động cơ vẫn hoạt động.
- “R”: Sử dụng khi lùi xe.
- “D”: Sử dụng khi cần chuyển số một cách tự động.
- “2”: Sử dụng khi chạy ở đường bằng.
- “L”: Sử dụng khi xe chạy ở đoạn đèo dốc.
Tỷ số truyền biến mô 2.0:1
Cơ cấu khóa biến mô Có
3 rd Gear O/D Gear Reverse Gear
Loại dầu ATF DEXRON*II
Bảng 1.1 Bảng thông số của hộp số A140E
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hộp số tự động A140E
Các cụm chi tiết chính trong hộp số tự động A140E
Bộ biến mô có chức năng truyền và khuyết đại mô men từ động cơ vào hộp số thông qua bộ truyền bánh răng hành tinh, sử dụng dầu hộp số tự động (ATF) làm môi chất.
Bộ biến mô bao gồm các thành phần chính như bánh bơm, bánh tuabin, khớp một chiều, stato và vỏ biến mô Tất cả các bộ phận này được đổ đầy dầu ATF do bơm dầu cung cấp Khi động cơ quay, bánh bơm cũng quay, tạo ra dòng dầu mạnh mẽ từ bánh bơm để làm quay bánh tuabin.
Hình 1.6 Cấu tạo biến mô
Bộ bánh răng hành tinh
Bộ truyền bánh răng hành tinh bao gồm ba loại bánh răng chính: bánh răng bao, bánh răng hành tinh và bánh răng mặt trời Cần dẫn kết nối với trục trung tâm của mỗi bánh răng hành tinh, giúp chúng xoay quanh bánh răng mặt trời Hệ thống này hoạt động tương tự như các hành tinh quay quanh mặt trời, do đó được gọi là bánh răng hành tinh Thông thường, nhiều bánh răng hành tinh được kết hợp trong một bộ truyền để tối ưu hóa hiệu suất.
Hình 1.7 Bộ bánh răng hành tinh thứ nhất
Nguyên lý vận hành cho phép thay đổi vị trí đầu vào và đầu ra, từ đó điều chỉnh tốc độ, đảo chiều, kết nối trực tiếp và tăng tốc các phần và các phần tử cố định.
Hình 1.8 Cấu tạo của bộ bánh răng hành tinh
Cụ thể ta có thể tham khảo ở bảng sau:
1 Giảm tốc Đầu vào: Bánh răng bao Đầu ra: Cần dẫn
Cố định: Bánh răng mặt trời
Hình 1.9 Hoạt động của bánh răng hành tinh khi giảm tốc
2 Đảo chiều Đầu vào: Bánh răng mặt trời Đầu ra: Bánh răng bao
Hình 1.10 Hoạt động của bánh răng hành tinh khi đảo chiều
3 Nối trực tiếp Đầu vào: Bánh răng mặt trời, bánh răng bao Đầu ra: Cần dẫn
Hình 1.11 Hoạt động của bánh răng hành tinh khi nối trực tiếp
4.Tăng tốc Đầu vào: Cần dẫn Đầu ra: Bánh răng bao
Cố định: Bánh răng mặt trời
Hình 1.12 Hoạt động của bánh răng hành tinh khi tăng tốc Bảng 1.2 Bảng chế độ hoạt động của bộ bánh răng hành tinh
Có hai loại phần tử cố định phanh: kiểu dải và kiểu nhiều đĩa ướt Kiểu dải được sử dụng cho phanh B1, trong khi kiểu nhiều đĩa ướt được áp dụng cho phanh B2 và B3 Ngoài ra, trong một số hộp số tự động, hệ thống nhiều đĩa ướt cũng được dùng cho phanh B1.
Dải phanh quấn quanh đường kính ngoài của trống phanh, với một đầu được gắn chặt vào vỏ hộp số và đầu còn lại tiếp xúc với pittong phanh qua cần đẩy Pittong phanh di chuyển nhờ áp suất thủy lực và có thể hoạt động trên cần đẩy nhờ sự nén của các lò xo.
Hình 1.13 Hoạt động của phanh dải
Khi áp suất thủy lực tác động lên pittong, pittong sẽ di chuyển sang trái trong xi lanh và nén các lò xo Quá trình này đẩy pittong sang bên trái, đồng thời đẩy một đầu của dải phanh Đầu kia của dải phanh được cố định vào vỏ hộp số, làm cho đường kính của dải phanh giảm xuống và dải phanh xiết vào trống, ngăn không cho nó chuyển động Lò xo bên trong có hai chức năng chính: hấp thu phản lực từ trống phanh và giảm va đập khi dải phanh xiết trống phanh.
- Phanh loại nhiều đĩa ướt (B2, B3 và B0)
Phanh B2 hoạt động qua khớp một chiều số 1, ngăn các bánh răng mặt trời quay ngược chiều kim đồng hồ Các đĩa ma sát được gài vào vòng lăn của khớp một chiều và các đĩa thép được cố định vào vỏ hộp số Mục đích của phanh B3 là ngăn không cho cần dẫn sau quay, với các đĩa ma sát ăn khớp với moay ơ B3 của cần dẫn sau Moay ơ B3 và cần dẫn sau được bố trí liền một cụm và quay cùng nhau, trong khi các đĩa thép vẫn được cố định vào vỏ hộp số.
Hình 1.14 Phanh loại nhiều đĩa ướt
Hoạt động của phanh kiểu nhiều đĩa ướt (B2, B3 Và B0)
Khi áp suất thủy lực tác động lên xi lanh pít tông, nó sẽ di chuyển và ép các đĩa thép cùng đĩa ma sát, dẫn đến việc cần dẫn hoặc bánh răng mặt trời bị khóa vào vỏ hộp số Khi áp suất dầu được xả ra khỏi xi lanh, pít tông sẽ trở lại vị trí ban đầu nhờ lực đẩy của lò xo phản hồi, từ đó làm nhả phanh.
Hình 1.15 Hoạt động của phanh loại nhiều đĩa ướt
C0, C1, C2 và C3 là các li hợp nối và ngắt công suất.
Khi dầu với áp suất chảy vào xi lanh pít tông, nó sẽ đẩy viên bi van đóng kín van một chiều, khiến pít tông di chuyển trong xi lanh và các đĩa ép tiếp xúc với đĩa ma sát Lực ma sát lớn giữ cho các đĩa thép dẫn và đĩa ma sát quay theo cùng một tốc độ.
Hình 1.17 Hoạt động của ly hợp lúc bình thường và ăn khớp, nhả khớp
Ly hợp nhả khớp khi áp suất dầu được xả, dẫn đến giảm áp suất trong xi lanh Sự giảm áp suất này cho phép viên bi rời khỏi van một chiều nhờ lực ly tâm Khi viên bi rời khỏi, dầu trong xi lanh được xả ra ngoài qua van một chiều, và pittong trở lại vị trí ban đầu nhờ lực của lo xo hồi.
Khi thiết kế bộ bánh răng hành tinh, nếu không tính đến va đập khi chuyển số, chỉ cần các thành phần C0, C1, C2, B0, B1, B3 mà không cần B2, F1, F2 và F0 Việc áp suất thủy lực tác động lên phanh đúng lúc khi xả li hợp là rất khó khăn Khớp một chiều số 1 (F1) hoạt động qua phanh B2 để ngăn bánh răng mặt trời quay ngược chiều kim đồng hồ, trong khi khớp một chiều số 2 (F2) ngăn cần dẫn sau quay ngược chiều kim đồng hồ Vòng lăn ngoài của khớp một chiều số 2 được cố định vào vỏ hộp số và được lắp ráp để khóa khi vòng lăn trong xoay ngược chiều kim đồng hồ Nhờ đó, các khớp một chiều có thể chuyển số một cách êm ái bằng cách điều chỉnh áp suất thủy lực lên một phần tử.
Hình 1.18 Ly hợp một chiều
Hệ thống điều khiển thủy lực
Hệ thống điều khiển thủy lực bao gồm bơm dầu, thân van, van điện từ và các đường dầu kết nối các chi tiết Dựa vào áp suất dầu do bơm sinh ra, hệ thống này điều chỉnh áp suất dầu tác động lên biến mô, ly hợp và phanh, phù hợp với điều kiện chuyển động của xe.
Hình 1.19 Hệ thống điều khiển thủy lực
Các bộ phận của hệ thống điều khiển điện tử
Hệ thống điều khiển điện tử ECT quản lý thời điểm chuyển số và khóa biến mô, bao gồm ba thành phần chính: cảm biến, ECU và van điện từ Sơ đồ dưới đây minh họa mối liên hệ giữa các thành phần này trong hộp số A140E.
Hình 1.20 Các bộ phận điều khiển điện từ của mô hình
Sơ đồ kết cấu của hộp số tự động A140E
Kết cấu mặt cắt dọc của hộp số tự động A140E
Hình 1.21 Kết cấu mặt cắt dọc hộp số tự động A140E
1 – Vỏ biến mô; 2 – Bơm dầu; 3 - Ống thông hơi; 4 – Ly hợp truyền thẳng C2; 5 –
Ly hợp số tiến C1; 6 – Phanh ma sát ướt B2; 7 – Khớp một chiều F2; 8 – Phanh ma sát ướt B3; 9 – Xylanh điều khiển phanh B3; 10 – Bánh răng chủ động trung gian;
Xylanh điều khiển phanh B0 và phanh ma sát ướt số truyền tăng B0 đóng vai trò quan trọng trong hệ thống phanh Ly hợp C0 được điều khiển bởi xylanh, trong khi trục trung gian hộp số và lò xo hồi vị hỗ trợ quá trình truyền động Trục thứ cấp của hộp số cùng với bánh răng bị động trung gian và phớt chắn dầu đảm bảo hiệu suất hoạt động ổn định Ổ bi đỡ và vi sai cũng là những thành phần thiết yếu, cùng với cảm biến tốc độ, giúp theo dõi và điều chỉnh tốc độ xe một cách chính xác.
- Sơ đồ nguyên lý hộp số tự động A140E như hình
Hình 1.22 Sơ đồ nguyên lý hộp số tự động A140E
Trong hệ thống truyền động, các thành phần quan trọng bao gồm phanh số truyền tăng B0, ly hợp số truyền tăng C0, và bánh răng hành tinh OD Ngoài ra, phanh ma sát ướt B3 và B2, cùng với khớp một chiều F2 và F1, đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát chuyển động Ly hợp C1 và C2, cùng với phanh dải B1, giúp điều chỉnh lực truyền động Hệ thống còn bao gồm bơm dầu và biến mô thủy lực, cùng với trục sơ cấp, trục trung gian và trục thứ cấp của hộp số, đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu Cuối cùng, khớp một chiều F0 là một phần không thể thiếu trong cấu trúc này.
- Sơ đồ khối hoạt động của các tay số.
Hình 1.23 Sơ đồ khối hoạt động của hộp số tự động A140E 1- Trục sơ cấp; 2 – Cần dẫn bánh răng hành tinh trước; 3 – Bánh răng hành tinh trước;
Bánh răng bao trước và sau đóng vai trò quan trọng trong hệ thống truyền động, cùng với bánh răng mặt trời trước và sau giúp tối ưu hóa hiệu suất Trung gian của hộp số và cần dẫn bộ bánh răng hành tinh OD cũng là những thành phần thiết yếu Bánh răng hành tinh OD, bánh răng mặt trời OD, và bánh răng bao OD tạo nên cấu trúc vững chắc cho hệ thống, trong khi bánh răng trung gian và bánh răng hành tinh sau cùng cần dẫn bánh răng hành tinh sau đảm bảo sự hoạt động trơn tru.
Hoạt động các tay số
Các chi tiết chính trong hộp số tự động A140E
Hình 1.24 Mặt cắt của hộp số A140E
1 – Bánh răng trung gian; 2 – Bánh răng hành tinh sau; 3 – Phanh B3; 4 – Khớp 1 chiều
F2; 5 – Phanh B2; 6 – Li hợp C1; 7 - Phanh B1; 8 – Li hợp C2; 9 – Trục sơ cấp; 10 – Bánh răng hành tinh trước; 11 – Khớp 1 chiều F0; 12 – Khớp 1 chiều F1; 13 – Bánh răng hành tinh OD; 14 – Trục trung gian; 15 – Li hợp OD.
Sơ đồ khối cấu tạo của hộp số tự động A10E giúp minh họa rõ ràng các chế độ hoạt động của hộp số Sơ đồ này bao gồm tất cả các bộ phận quan trọng của hộp số A140E, tạo điều kiện thuận lợi cho việc hiểu và phân tích chức năng của từng thành phần.
Hình 1.25 Sơ đồ khối bộ 3 bánh răng hành tinh của hộp số A140E
Vị trí cần số Vị trí số Co C1 C2 Bo B1 B2 B3 F0 F1 F2
Bảng 1.3 Hoạt động của các cơ cấu tại vị trí số
Chức năng của các chi tiết trong bộ truyền bánh răng hành tinh:
C0 Ly hợp số truyền thẳng Nối cần dẫn bộ truyền OD với bánh răng mặt trời
C1 Ly hợp số tiến Nối trục sơ cấp và bánh răng mặt trời bộ hành tinh trước
C2 Ly hợp số truyền thẳng Nối trục trung gian và bánh răng mặt trời bộ hành tinh sau
Khóa bánh răng mặt trời OD ngăn không cho nó quay theo cả 2 chiều thuận và ngược chiều kim đồng hồ
Khóa bánh răng mặt trời trước và sau không cho nó quay theo cả 2 chiều thuận và ngược chiều kim đồng hồ
Khóa bánh răng mặt trời trước sau không cho nó quay ngược chiều kim đồng hồ đồng thời với F1 hoạt động
B3 Phanh số lùi và số 1
Khóa cần dẫn bộ truyền hành tinh sau, ngăn không cho quay theo cả 2 chiều thuận và ngược chiều kim đồng hồ
Khóa cần dẫn bộ truyền hành tinh OD, ngăn nó quay theo ngược chiều kim đồng hồ xung quanh bánh răng mặt trời
F1 Khớp một chiều số 1 Khi B2 hoạt động nó ngăn bánh răng mặt trời trước sau không cho quay theo chiều ngược chiều kim đồng hồ
F2 Khớp một chiều số 2 Khóa cần dẫn bộ truyền hành tinh trước sau, ngăn không cho nó quay theo chiều ngược chiều kim đồng hồ
Bảng 1.4 Chức năng của các chi tiết của bộ bánh răng hành tinh
Hoạt động của số 1 tại vị trí “D” và “2”.
- Đường truyền công suất tại tay số tại vị trí “D” và “2”
Hình 1.26 Hoạt động của tay số 1 tại vị trí “D” và “2”
- Đường truyền công suất tại số 2 tại vị trí “D”
Hình 1.27 Hoạt động của số 2 tại vị trí “D”
- Đường truyền công suất tại số 3 tại vị trí D
Hình 1.28 Hoạt động của só 3 tại vị trí D
- Đường truyền công suất tại số truyền tăng của dải OD
Hình 1.29 Mô hình hoạt động ở dãy “D” số truyền tăng OD
- Đường truyền công suất tại số 2 tại dải 2, phanh bằng động cơ
Hình 1.30 Mô hình hoạt động ở dãy “2” số 2
- Đường truyền công suất của số 1 tại dãy L
Hình 1.31 Mô hình hoạt động ở dãy “L” số 1
- Mô hình hoạt động tại dải R
Hình 1.32 Mô hình hoạt động ở dãy “R”
Khi chọn số ở vị trí "N" hoặc "P", ly hợp số tiến (C1) và ly hợp số truyền thẳng (C2) không hoạt động, khiến cho chuyển động của trục sơ cấp không được truyền đến bánh răng chủ động trung gian Khi ở chế độ "P", cóc hãm khi đỗ xe sẽ ăn khớp với bánh răng bị động, đảo chiều bánh răng này sẽ ăn khớp với trục chủ động vi sai, ngăn không cho xe di chuyển.
Nguyên lý điều khiển mô hình hộp số tự động
Cơ sở lý thuyết về nguyên lý điều khiển mô hình hộp số tự động A140E
2.1.1 Hệ thống điều khiển thủy lực
Các ly hợp và phanh trong bộ truyền bánh răng hoạt động nhờ áp suất thủy lực, được sinh ra và điều chỉnh bởi bộ điều khiển thủy lực Bộ điều khiển này không chỉ tạo ra áp suất mà còn thay đổi các đường dẫn của nó, cho phép áp suất thủy lực hoạt động qua nhiều đường dẫn khác nhau.
2.1 bên dưới thể hiện mạch thủy lực của hộp số kiểu A140E.
Hình 2.1 Mạch dầu trong hộp số A140E
Chức năng của bộ điều khiển thủy lực có ba chức năng sau.
Bơm dầu đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra áp suất thủy lực, cần thiết cho hoạt động hiệu quả của hộp số tự động Nó thực hiện chức năng này bằng cách dẫn động vỏ bộ biến mô của động cơ, đảm bảo quá trình vận hành mượt mà và ổn định.
- Điều chỉnh áp suất thủy lực: Áo suất thủy lực tạo ra từ bơm dầu được điều chỉnh bằng van điều áp sơ cấp.
Khi ly hợp và phanh của bộ truyền bánh răng hành tinh hoạt động, việc chuyển số sẽ được thực hiện Đường dẫn dầu được tạo ra dựa vào vị trí chuyển số do van điều khiển thực hiện Khi tốc độ xe tăng, các tín hiệu từ ECU động cơ và ECT sẽ được gửi tới các van điện từ, từ đó vận hành các van chuyển số để điều chỉnh tốc độ phù hợp.
Hình 2.2 Hệ thống điều khiển thủy lực
Các bộ phận chính của hệ thống điều khiển thủy lực.
Bơm dầu có chức năng vận chuyển dầu đến bộ phận biến mô, bôi trơn bộ bánh răng hành tinh và cung cấp áp suất hoạt động cho hệ thống điều khiển thủy lực Động cơ liên tục dẫn động các bánh răng của bơm dầu thông qua các bánh bơm của bộ biến mô.
Hình 2.3 Bơm dầu của hộp số
Thân van bao gồm hai phần chính: thân van trên và thân van dưới, tạo thành một mê cung với nhiều đường dẫn cho dầu hộp số chảy qua Nhiều van được lắp đặt trong các đường dẫn này, với chức năng điều khiển áp suất thủy lực và chuyển mạch chất lỏng giữa các đường dẫn khác nhau Ngoài ra, trên thân van còn có ba van điện từ để thực hiện việc điều khiển.
Hình 2.4 Thân van của hộp số tự động
2.1.1.1.3 Van điều áp sơ cấp:
Van điều áp sơ cấp điều chỉnh áp suất thủy lực phù hợp với công suất động cơ, giúp tránh tổn thất công suất bơm Khi áp suất thủy lực từ bơm dầu tăng, lò xo van nén và đường dẫn dầu ra cửa xả được xả, giữ áp suất dầu cơ bản ổn định Ở vị trí “R”, áp suất cơ bản tăng lên để ngăn chặn hiện tượng trượt của các li hợp và phanh.
Hình 2.5 Van điều áp sơ cấp
Van điều khiển được kết nối với cần chuyển số và thanh nối hoặc cáp Khi cần chuyển số thay đổi vị trí, nó sẽ điều chỉnh đường dẫn dầu của van điều khiển, cho phép dầu hoạt động theo từng vị trí chuyển số.
Ta chuyển số bằng cách điều chỉnh hoạt động của các ly hợp và phanh thông qua các van chuyển mạch đường dẫn dầu Các van này, như van chuyển số 1-2, 2-3, 3-4, giúp kiểm soát áp suất thủy lực tác động lên các bộ phận này Cụ thể, khi áp suất thủy lực tác động lên van chuyển số 1-2, hộp số sẽ giữ ở số 1 do van ở dưới cùng và đường dẫn dầu tới ly hợp và phanh bị cắt Ngược lại, khi áp suất bị cắt bởi hoạt động của van điện từ, lực lò xo sẽ đẩy van lên, mở đường dẫn dầu tới B2 và chuyển hộp số sang số 2.
Van điện từ hoạt động dựa trên tín hiệu từ ECU động cơ và ECT, có chức năng điều khiển các van chuyển số và áp suất thủy lực Có hai loại van điện từ: van điện từ chuyển số, mở và đóng các đường dẫn dầu theo tín hiệu từ ECU, và van điện từ tuyến tính, điều khiển áp suất thủy lực theo dòng điện từ ECU Van điện từ chuyển số chủ yếu được sử dụng để chuyển số, trong khi van điện từ tuyến tính phục vụ cho việc điều chỉnh áp suất thủy lực.
Hoạt động khi chuyển số
Hoạt động khi chuyển số ở đây được mô tả bằng việc sử dụng các van điện từ và van chuyển số
Để chuyển từ số trung gian sang số 1, đường dẫn dầu tới C1 được mở thông qua việc chuyển mạch van điều khiển Khi van điện từ số 1 được bật "ON" và van điện từ số 2 bị tắt "OFF", đường dẫn dầu tới C0 sẽ được mở Sự hoạt động của C1 và F2 tạo ra đường dẫn dầu cho số 1, trong khi ở các vị trí "D" và "2", phanh động cơ không bị tác động bởi hoạt động của F2 Tại vị trí "L", đường dẫn từ B3 được mở và phanh bằng động cơ sẽ hoạt động, đồng thời áp suất thủy lực đến bộ truyền bánh răng hành tinh được thiết lập.
- Ly hợp C1 từ van điều khiển
- Ly hợp C0 từ van chuyển số 3-4
- Phanh B3 từ van chuyển số 2-3
Hình 2.9 Sơ đồ hoạt động của vạn điện từ và van chuyển số ở vị trí số 1
Van điện từ số 2 được kích hoạt từ chế độ “OFF” sang “ON” theo tín hiệu từ ECU, khiến cả van điện từ số 1 và số 2 đều hoạt động Áp suất thủy lực cung cấp cho các van chuyển số 1-2 và 3-4, làm cho van chuyển số 1-2 được đẩy lên nhờ lực lò xo, mở đường dẫn dầu vào B2 Khi đó, C1 và B2 (F1) hoạt động để chuyển số sang số 2 Trong chế độ “D”, phanh bằng động cơ không bị ảnh hưởng bởi hoạt động của F1, trong khi ở chế độ “2”, đường dẫn dầu vào B2 được mở và phanh động cơ được tác động Áp suất thủy lực cũng đến bộ truyền bánh răng hành tinh.
- Ly hợp C1 từ van điều khiển
- Ly hợp C0 từ van chuyển số 3-4
- Phanh B2 từ van chuyển số 1-2
Hình 2.10 Chuyển số tại số 2 của van điện từ và van chuyển số
Van điện từ số 1 được điều khiển từ trạng thái “ON” sang “OFF” thông qua tín hiệu từ ECU Khi van số 1 tắt, van số 2 sẽ bật, tạo ra áp suất thủy lực tác động lên van chuyển số 2-3, đẩy van này xuống và mở đường dẫn dầu vào C2 Nhờ đó, cả C1 và C2 chuyển sang chế độ số 3, và áp suất thủy lực sẽ đến bộ truyền bánh răng hành tinh.
- Ly hợp C1 từ van điều khiển
- Ly hợp C0 từ van chuyển số 3-4
- Phanh B2 từ van chuyển số 1-2
- Ly hợp C2 từ vna chuyển số 2-3.
Hình 2.11 Chuyển số tại vị trí số 3 của van điện từ và van chuyển số
Van điện từ số 2 được điều khiển chuyển từ trạng thái “ON” sang “OFF” theo tín hiệu từ ECU, đồng thời van điện từ số 1 cũng tắt Áp suất thủy lực sẽ tác động lên phía trên của van chuyển số 1-2 và 3-4, đẩy van chuyển số 3-4 xuống Ngoài ra, áp suất cơ bản từ van chuyển số 2-3 tác động vào dưới van chuyển số 1-2.
Đường dẫn dầu tác động lên C0 từ B0, dẫn đến việc chuyển đổi mạch và tăng tốc độ truyền lên số O/D Khi công tắc số truyền tăng được tắt, quá trình này sẽ dừng lại.
“OFF”, nó không thể chuyển lên số O/D Vì ECU không gửi tín hiệu ngắt van điện từ số 2. Áp suất thủy lực trền đến bộ bánh răng hành tinh.
- Ly hợp C1 từ van điều khiển
- Ly hợp C0 từ van chuyển số 3-4
- Phanh B2 từ van chuyển số 1-2
- Ly hợp C2 từ van chuyển só 2-3
Hình 2.12 Chuyển số OD của van điện từ và van chuyển số
2.1.2 Hệ thống điều khiển điện tử
Hộp số A140E điều khiển chuyển số dựa trên hai tín hiệu chính: tốc độ xe và độ mở bướm ga Bộ điều khiển điện tử trung tâm ECT nhận tín hiệu từ cảm biến vị trí bướm ga và cảm biến tốc độ, sau đó xử lý để quyết định thời điểm chuyển số ECT cũng có chức năng chẩn đoán và đảm bảo an toàn khi có sự cố với cảm biến.
- Cảm biến tốc độ xe xác định tốc độ của xe và gửi tín hiệu này đến ECT dưới dạng các tín hiệu điện.
- Cảm biến vị trí bướm ga xác định góc mở bướm ga và biến đổi tín hiệu này thành tín hiệu điện rồi gởi đến ECT.
Hệ thống điều khiển hộp số tự động trên mô hình A140E
2.2.1 Thiết kế lưu đồ điều khiển mô hình hộp số tự động
Lưu đồ thuật toán điều khiển mô hình mô tả nguyên lý lên xuống số tại từng tay số trong điều kiện tải thường và ở ba mức độ mở bướm ga tượng trưng Chương trình điều khiển chính sẽ được lập trình với 10 trường hợp khác nhau của góc mở cánh bướm ga nhằm đảm bảo quá trình lên số chính xác hơn Lưu đồ này là nền tảng để phát triển chương trình điều khiển cho hộp số tự động A140E.
Các lưu đồ điều khiển lên xuống số của mô hình hộp số.
Hình 2.35 Lưu đồ chọn dải số
Hình 2.36 Lưu đồ chuyển số dải D
Hình 2.37 Lưu đồ lên số dải D
Hình 2.38 Lưu đồ xuống số dải D
Hình 2.39 Lưu đồ chuyển số dải 2
Hình 2.40 Lưu đồ lên số tại dải 2
Hình 2.41 Lưu đồ xuống số tại dải 2
Hình 2.42 Lưu đồ chuyển số tại dải L
Hình 2.43 Lưu đồ lên số tại dải L
Hình 2.44 Lưu đồ xuống số tại dải L
2.2.2 Ứng dụng thuật toán Fuzzy điều khiển mô hình hộp số tự động
A140E Tổng quan về Fuzzy logic
2.2.2.1.1 Định nghĩa về fuzzy logic
Trong toán học, tập hợp được định nghĩa là tập hợp tất cả các đối tượng thỏa mãn một tính chất nhất định, với mỗi đối tượng đều thuộc hoặc không thuộc tập đó Ví dụ, tập hợp những người cao có thể được xác định là những người có chiều cao bằng hoặc lớn hơn 1,75m Tập hợp này có thể được hình dung qua hình ảnh minh họa.
Hàm thành viên của tập người cao cho thấy rằng bạn chỉ có thể thuộc hoặc không thuộc vào nhóm này, tuy nhiên, điều này không phản ánh chính xác thực tế Ví dụ, người cao 1,76m và 2m đều được coi là cao, mặc dù có sự chênh lệch rõ rệt về chiều cao Ngược lại, người cao 1,75m được xếp vào loại cao, trong khi người cao 1,74m lại không được coi là cao, mặc dù chỉ chênh lệch 1cm Điều này cho thấy rằng việc phân loại theo chiều cao cần được xem xét một cách linh hoạt hơn để phù hợp với thực tế.
Tập fuzzy cung cấp một cách mô tả chính xác hơn về chiều cao của con người Hàm thành viên của tập fuzzy được thể hiện trong hình 2.46, trong đó trục ngang đại diện cho chiều cao và trục dọc thể hiện mức độ thành viên của chiều cao trong tập fuzzy, dao động từ 0 đến 1.
Cho 2 người có chiều cao như trong hình vẽ Người thứ nhất có tính thành viên là 0.3 vì vậy không cao lắm Người thứ 2 có tính thành viên là 0.95 vì vậy rõ ràng là cao Tuy nhiên anh ta không thuộc tập người cao theo định nghĩa tập hợp truyền thống.
Hàm thành viên trong tập fuzzy có thể được thiết lập bằng nhiều phương pháp khác nhau, miễn là tuân theo một định nghĩa đã được xác định Việc lựa chọn hình thức hàm thành viên phụ thuộc vào mục đích sử dụng và cần phản ánh chính xác tính chất của đối tượng Một số hàm thành viên phổ biến được trình bày trong hình 2.47.
Hình 2.47 Hàm tính thành viên
Logic truyền thống áp dụng các phép toán nhị phân như AND, OR và NOT để thực hiện các phép giao, hợp và bù Bảng mô tả cung cấp thông tin về các giá trị đầu vào cùng với kết quả của các phép toán logic này.
Bảng 2.6 Phép toán logic truyền thống
Nếu x, y thuộc tập hợp fuzzy, chúng có thể nhận giá trị trong khoảng [0, 1], điều này làm cho việc lập bảng theo logic nhị phân trở nên không khả thi Do đó, các phép toán cần được định nghĩa lại dưới dạng hàm số cho tất cả giá trị trong [0, 1] Thực tế, logic nhị phân chỉ là một tập con của fuzzy logic, vì fuzzy logic bao gồm các giá trị 0, 1 và tất cả các giá trị thực trong khoảng (0, 1) Các phép toán của fuzzy logic được trình bày dưới dạng tổng quát như trong bảng.
Bảng 2.7 Phép toán fuzzy Áp dụng định nghĩa trên, ta có thể lập bảng giá trị như sau.
Bảng 2.8 Bảng giá trị về phép toán fuzzy logic
- Ra quyết định bằng fuzzy
Các quyết định của chúng ta thường mang tính logic, dựa vào việc xem xét tình huống cụ thể trước khi đưa ra lựa chọn.
Nếu P thì Q Điều kiện logic này khá khắt khe Q chỉ xảy ra nếu P xảy ra Fuzzy logic nới lỏng sự khắc khe này bằng phát biểu:
Nếu phần lớn P thì phần lớn Q
P.Q đại diện cho các số fuzzy, và các luật này là những phát biểu bằng lời nhằm liên kết các tập fuzzy khác nhau Dạng tổng quát của các phát biểu này được thể hiện rõ ràng.
Trong hệ thống fuzzy, x và y là các số fuzzy thuộc các tập A và B, được định nghĩa qua các hàm thành viên Chúng ta sẽ xem xét một hệ thống với hai hàm thành viên đầu vào (A1, A2) và hai hàm thành viên đầu ra (B1, B2) Các hàm thành viên này xác định hai tập fuzzy A và B Khi giá trị đầu vào có tính thành viên trong một hàm, bất kỳ luật nào dựa trên hàm thành viên đó sẽ được kích hoạt và tạo ra kết quả.
Hình 2.48 Hàm thành viên tập fuzzy A,B
Kết quả tổng cộng ra là:
Với giá trị đầu vào x = 1.25, cả hai hàm thành viên A1 và A2 đều được kích hoạt Giá trị 1.25 có độ thành viên là 0.75 trong A1 và 0.25 trong A2 Áp dụng công thức tính toán, chúng ta nhận được đầu ra tổng cộng như hình minh họa.
Hình 2.49 Kết quả đầu ra của fuzzy
Hàm thành viên tổng là kết quả của quá trình ra quyết định dựa vào phát biểu luật, và để có một con số cụ thể ở đầu ra, cần thực hiện phương pháp lượng hóa (defuzzification) Phương pháp này giúp xác định giá trị tốt nhất cho tập fuzzy đầu ra, trong đó một cách phổ biến là tính trọng tâm của tập fuzzy Ví dụ, trong hình minh họa, lượng hóa tập fuzzy bằng phương pháp trọng tâm cho giá trị 7.319 Điều này có ứng dụng quan trọng trong việc điều khiển hộp số tự động bằng Fuzzy logic.
ECU ECT thực hiện việc sang số dựa vào bản đồ sang số, với thời điểm sang số phụ thuộc vào tốc độ xe và độ mở cánh bướm ga Các giá trị này được lưu trữ trong bộ nhớ ECU như các bảng tra (look-up table) ECU có khả năng điều khiển sang số thông qua các câu lệnh điều kiện, cho phép xác định thời điểm sang số một cách chính xác.
Nếu độ mở cánh bướm ga là 50% và tốc độ dưới 1500 vòng/phút, vị trí sẽ là số 1 Nếu độ mở cánh bướm ga vẫn là 50% nhưng tốc độ dưới 2500 vòng/phút, vị trí sẽ là số 2 Trong trường hợp độ mở cánh bướm ga là 50% và tốc độ dưới 4000 vòng/phút, vị trí sẽ là số 3 Nếu không thuộc các trường hợp trên, vị trí sẽ là số OD.
Phát biểu cú pháp dạng Matlab như sau
If alpha = 0.5 and n < 1500 p = 1 elseif alpha = 0.5 and n < 2500 p = 2 elseif alpha = 0.5 and n < 4000 p = 3 else end p = 4
