Site icon DANOTO

Hộp số tự động ô tô là gì? Cấu tạo, phân loại và nguyên lý hoạt động?

DÂN Ô TÔ
hop so tu dong o to

Hộp số tự động nằm trong hệ thống gầm ô tô, được thiết kế để tự động quá trình chuyển đổi số trong quá trình di chuyển. Thay vì phải thủ công chuyển các số như hộp số sàn, thì hộp số tự động tự động chuyển đổi các số tương ứng với tốc độ và điều kiện lái xe.

Thế nhưng, bạn có biết hộp số sàn ô tô là gì? Cấu tạo, phân loại, nguyên lý làm việc? Tất cả sẽ được Team DANOTO giải thích một cách chi tiết.

Hộp số tự động là gì?

Hộp số tự động (Tiếng anh là Automatic Transmission – AT), đây là một loại hộp số ô tô có khả năng thay đổi tỷ số truyền động một cách tự động mà người lái không cần sử dụng cần gạt để sang số. Một trong những loại hộp số tự động phổ biến hiện nay là hộp số tự động sử dụng biến mô.

Phân loại hộp số tự động

  1. Hộp số tự động AT
  2. Hộp số sàn tự động AMT
  3. Hộp số tự động vô cấp CVT
  4. Hộp số tự động ô tô ly hợp kép DCT
  5. Hộp số sang số trực tiếp DSG
  6. Hộp số tự động Tiptronic

Cấu tạo hộp số tự động

Cấu tạo của hộp số tự động ô tô gồm:

Bộ bánh răng hành tinh

Bộ truyền bánh răng hành tinh có vai trò quan trọng nhất trong hộp số xe tự động.

Cấu tạo của bộ bánh răng hành tinh gồm:

Bộ ly hợp thuỷ lực

Bộ ly hợp thuỷ lực có cấu tạo gồm:

Đĩa mã sát và tấm thép ma sát được thiết kế chồng lên nhau. Đĩa ma sát ăn khớp với vành đai ngoài của bộ bánh răng hành tinh nhờ các rãnh. Khi vành đai ngoài chuyển động thì các đĩa ma sát của ly hợp cũng chuyển động theo. Lò xo có nhiệm vụ tách các tấm ma sát với nhau khi áp suất dầu giảm hoặc không có. Khi áp suất dầu tăng, lò xo dịch chuyển qua phải, các tấm ma sát ép lại vào nhau. Lúc này vành đai của bộ bánh răng hành tinh bị giữ lại.

Bộ biến mô thuỷ lực

Biến mô thuỷ lực là loại khớp nối bằng chất lỏng có vai trò truyền mô men xoắn từ động cơ đến trục vào hộp số. Biến mô thuỷ lực nằm ngay giữa động cơ và hộp số.

Cấu tạo của biến mô thuỷ lực gồm:

Bộ điều khiển điện tử

Xe có thể chuyển số tự động chủ yếu nhờ vào bộ điều khiển điện tử. Bộ điều khiển này tiếp nhận thông tin đầu vào từ những cảm biến. Sau đó xử lý thông tin và cung cấp dòng điện đến các van để đóng mở đường dầu đến các ly hợp.

Nguyên lý hoạt động của hộp số tự động

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:

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:

Đầu vào Đầu ra Bị khóa đứng yên Công thức tính Tỷ số truyền
A Sun (S) Planet Carrier (C) Ring (R) 1 + R/S 3.4:1
B Planet Carrier (C) Ring (R) Sun (S) 1 / (1 + S/R) 0.71:1
C Sun (S) Ring (R) Planet Carrier (C) -R/S -2.4:1

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:

Số Đầu vào Đầu ra Phần cố định Tỷ số truyền
1 Bánh răng mặt trời 30 răng Vành răng 72 răng Giá bánh răng hành tinh 2.4:1
2 Bánh răng mặt trời 30 răng Giá bánh răng hành tinh Vành răng 36 răng 2.2:1
Giá bánh răng hành tinh Vành răng 72 răng Bánh răng mặt trời 36 răng 0.67:1
Toàn bộ số 2 1.47:1
3 Bánh răng mặt trời 30 và 36 răng Vành răng 72 răng 1.0:1
Truyền thẳng Giá bánh răng hành tinh Vành răng 72 răng Bánh răng mặt trời 30 răng 0.67:1
Lùi Bánh răng mặt trời 30 răng Vành răng 72 răng Giá bánh răng hành tinh -2.0:1

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.

Kết luận

Đến đây thì bạn đã tìm ra bài viết có nội dung đầy đủ về “hộp số tự động ô tô” rồi chứ? Còn nếu bạn còn muốn tìm hiểu thêm kiến thức, hãy để lại bình luận team chúng em sẽ giúp bạn giải đáp những thắc mắc liên quan tới hệ thống gầm ô tô chi tiết nhất!

Trong trường hợp bạn tìm hiểu đọc hết những kiến thức ở khắp nơi nhưng vẫn không thể tóm gọn lại kiến thức, bạn hoàn toàn có thể theo dõi các bài chia sẻ kiến thức của team chúng em nhé!

Tổng hợp chia sẻ bởi Duy Anh – Team DANOTO