Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu thi công mô hình hộp số tự động Toyota A343F

Nghiên cứu thi công mô hình hộp số tự động Toyota A343F trong đồ án tốt nghiệp. Khám phá chi tiết quy trình, các bộ phận và nguyên lý hoạt động.

• Tác giả: Nguyễn Hữu Tuấn
• Người hướng dẫn: Th.S Thái Huy Phát
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Ô tô
• Đề tài: Nghiên cứu thi công mô hình hộp số tự động Toyota A343F
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về hộp số tự động Toyota A343F

Hộp số tự động Toyota A343F là loại hộp số điện tử 4 cấp được sử dụng phổ biến trên các dòng xe SUV và pickup của Toyota. Sản phẩm này thuộc thế hệ hộp số điều khiển điện tử (ECT), kết hợp giữa hệ thống thủy lực và bộ điều khiển điện tử ECU. Hộp số A343F hoạt động dựa trên nguyên lý biến mô thủy lực kết hợp với bộ bánh răng hành tinh. Các cảm biến trên hộp số thu thập thông tin về tốc độ động cơ, tốc độ xe và độ mở bướm ga. ECU xử lý tín hiệu này để điều khiển thời điểm chuyển số phù hợp. Thiết kế mô hình hộp số A343F phục vụ mục đích nghiên cứu và giảng dạy. Mô hình giúp người học quan sát trực tiếp cấu tạo và nguyên lý làm việc. Việc thi công mô hình đòi hỏi hiểu biết sâu về cơ cấu bên trong hộp số. Tài liệu kỹ thuật chính hãng là cơ sở quan trọng để đảm bảo độ chính xác. Nghiên cứu này mang lại giá trị thực tiễn cho đào tạo kỹ thuật ô tô.

1.1. Cấu tạo cơ bản của hộp số A343F

Hộp số tự động Toyota A343F gồm nhiều bộ phận chính làm việc phối hợp. Biến mô thủy lực đảm nhận vai trò ly hợp, truyền mô-men từ động cơ đến hộp số. Bộ bánh răng hành tinh tạo ra các tỷ số truyền khác nhau cho 4 cấp số tiến và số lùi. Hệ thống phanh dải (band brake) và các ly hợp nhiều đĩa điều khiển sự kết nối giữa các bánh răng. Van điều khiển điện từ (solenoid valve) điều chỉnh áp suất dầu đến các cơ cấu chấp hành. Bộ điều khiển ECU xử lý tín hiệu từ cảm biến và gửi lệnh điều khiển. Cảm biến tốc độ tuabin, cảm biến chân ga và cảm biến nhiệt độ dầu là các thành phần quan trọng.

1.2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống điều khiển

Hệ thống điều khiển hộp số A343F hoạt động theo nguyên lý kín. Các cảm biến phát hiện trạng thái vận hành của xe và chuyển đổi thành tín hiệu điện. Cảm biến chân ga ghi nhận vị trí bàn đạp ga, phản ánh tải động cơ. Cảm biến tốc độ xe và cảm biến tốc độ tuabin cung cấp thông tin về tốc độ quay. ECU nhận tất cả tín hiệu này, so sánh với bản đồ số đã lập trình sẵn. Từ đó ECU tính toán thời điểm chuyển số tối ưu và gửi tín hiệu đến van điện từ. Van điện từ điều khiển áp suất dầu tác động lên các ly hợp và phanh dải.

II. Phân tích cấu trúc và vấn đề thi công mô hình

Thi công mô hình hộp số Toyota A343F đặt ra nhiều thách thức kỹ thuật phức tạp. Mô hình phải thể hiện chính xác vị trí và mối liên kết giữa các chi tiết bên trong. Biến mô thủy lực là bộ phận có cấu trúc đặc biệt, cần chế tạo với độ chính xác cao. Bánh răng hành tinh gồm nhiều tầng, mỗi tầng có bánh răng mặt trời, hành tinh và vành trong. Phanh dải và ly hợp nhiều đĩa có cấu tạo phức tạp với nhiều chi tiết nhỏ. Việc lựa chọn vật liệu chế tạo mô hình cần cân nhắc giữa độ bền và khả năng quan sát. Mô hình trưng bày cần cắt bỏ một phần vỏ để lộ các cơ cấu bên trong. Hệ thống thủy lực mô phỏng yêu cầu tính toán kỹ lưỡng về lưu lượng và áp suất. Các chi tiết lắp ráp phải đảm bảo tính tháo lắp dễ dàng cho mục đích giảng dạy. Kích thước mô hình cần phù hợp với không gian phòng thí nghiệm.

2.1. Cấu trúc biến mô thủy lực và bánh răng hành tinh

Biến mô thủy力 trong hộp số A343F gồm bơm, tuabin và bộ dẫn hướng cố định. Bơm nối với trục ra động cơ, quay liên tục khi động cơ hoạt động. Tuabin nối với trục vào hộp số, nhận mô-men từ dòng dầu. Bộ dẫn hướng cố định có vai trò phản lực, tăng hiệu suất truyền lực. Khi tốc độ hai trục bằng nhau, bộ khóa biến mô hoạt động để giảm tổn thất. Bánh răng hành tinh gồm ba bộ phận: bánh răng mặt trời ở giữa, các bánh răng hành tinh quay xung quanh, và bánh răng vành trong bao ngoài. Mỗi cấp số sử dụng sự kết hợp khác nhau của các ly hợp và phanh.

2.2. Vấn đề kỹ thuật trong quá trình chế tạo

Chế tạo mô hình hộp số A343F gặp nhiều vấn đề kỹ thuật cần giải quyết. Kích thước thực tế của hộp số rất lớn, việc thu nhỏ tỷ lệ đòi hỏi tính toán kỹ. Một số chi tiết có hình dạng phức tạp, khó gia công bằng phương pháp thông thường. Độ chính xác vị trí lỗ trục và mối ăn khớp bánh răng phải đảm bảo trong dung sai cho phép. Hệ thống thủy lực mô phỏng cần thiết kế đường dầu phù hợp với không gian mô hình. Việc lựa chọn vật liệu trong suốt cho vỏ hộp số giúp quan sát nhưng ảnh hưởng độ bền. Công tác lắp ráp thứ tự các chi tiết cần tuân theo quy trình kỹ thuật để tránh sai sót.

III. Giải pháp và phương pháp thi công mô hình hộp số

Phương pháp thi công mô hình hộp số A343F áp dụng quy trình kỹ thuật có hệ thống. Bước đầu tiên là thu thập đầy đủ tài liệu kỹ thuật từ hãng Toyota. Bản vẽ chi tiết và sơ đồ lắp ráp là cơ sở để lập kế hoạch gia công. Phần mềm CAD được sử dụng để thiết kế mô hình 3D trước khi chế tạo. Các chi tiết phức tạp như bánh răng hành tinh được gia công trên máy CNC để đảm bảo độ chính xác. Vỏ hộp số mô hình chế tạo từ vật liệu composite hoặc nhựa acrylic trong suốt. Hệ thống thủy lực mô phỏng sử dụng bơm điện nhỏ và ống dẫn dầu trong suốt. Các ly hợp và phanh dải được chế tạo theo tỷ lệ thu nhỏ nhưng vẫn thể hiện nguyên lý hoạt động. Mô hình tích hợp mô-tơ điện để mô phỏng nguồn truyền động. Quá trình lắp ráp tuân thủ thứ tự từ trong ra ngoài theo tài liệu kỹ thuật.

3.1. Kỹ thuật gia công và lựa chọn vật liệu

Gia công mô hình hộp số A343F sử dụng nhiều phương pháp chế tạo kết hợp. Máy CNC đảm nhận gia công các chi tiết yêu cầu độ chính xác cao như trục và bánh răng. Phương pháp in 3D được áp dụng cho các chi tiết có hình dạng phức tạp, khó gia công truyền thống. Vật liệu thép hợp kim dùng cho các trục và bánh răng chịu tải lớn. Nhựa POM hoặc nylon dùng cho các chi tiết chuyển động nhỏ, giảm ma sát. Vật liệu acrylic trong suốt được chọn cho vỏ hộp số để quan sát bên ngoài. Sơn phủ chống oxy hóa giúp bảo vệ các chi tiết kim loại khỏi ăn mòn trong quá trình trưng bày.

3.2. Lắp ráp và kiểm tra hoạt động mô hình

Lắp ráp mô hình hộp số A343F tuân theo trình tự kỹ thuật nghiêm ngặt. Bước đầu lắp biến mô vào vỏ hộp số, đảm bảo trục đồng tâm. Tiếp theo lắp các cụm bánh răng hành tinh theo từng cấp số. Các ly hợp nhiều đĩa và phanh dải được lắp vào vị trí tương ứng. Hệ thống đường dầu và van điện từ được kết nối theo sơ đồ kỹ thuật. Sau lắp ráp, mô hình được kiểm tra hoạt động từng cấp số bằng mô-tơ điện. Kiểm tra áp suất dầu tại các điểm đo để đảm bảo hệ thống thủy lực làm việc đúng. Hiệu chỉnh vị trí các chi tiết nếu phát hiện sai lệch trong quá trình vận hành thử.

IV. Kết luận và ứng dụng mô hình hộp số tự động

Nghiên cứu thi công mô hình hộp số tự động Toyota A343F đạt được nhiều kết quả tích cực. Mô hình hoàn chỉnh thể hiện đầy đủ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hộp số thực. Người học có thể quan sát trực tiếp sự làm việc của biến mô, bánh răng hành tinh và hệ thống phanh. Mô hình là công cụ giảng dạy hiệu quả, giúp sinh viên hiểu sâu về hộp số tự động. Việc tháo lắp mô hình hỗ trợ rèn luyện kỹ năng thực hành cho sinh viên kỹ thuật ô tô. Nghiên cứu cũng đóng góp nguồn tài liệu tham khảo có giá trị cho đào tạo nghề. Mô hình có thể ứng dụng trong các trung tâm đào tạo nghề và trường đại học kỹ thuật. Kết quả nghiên cứu mở ra hướng phát triển mô hình cho các loại hộp số khác. Công tác bảo dưỡng mô hình đơn giản, chi phí thấp hơn so với hộp số thực. Dự án khẳng định vai trò quan trọng của mô hình học cụ trong đào tạo kỹ thuật.

4.1. Ứng dụng trong đào tạo kỹ thuật ô tô

Mô hình hộp số A343F có nhiều ứng dụng quan trọng trong đào tạo kỹ thuật ô tô. Sinh viên sử dụng mô hình để học cấu tạo chi tiết từng bộ phận bên trong. Bài thực hành tháo lắp mô hình giúp rèn luyện kỹ năng sử dụng dụng cụ chuyên dụng. Giảng viên minh họa nguyên lý hoạt động từng cấp số trực quan trên mô hình. Mô hình hỗ trợ giảng dạy hệ thống điều khiển điện tử và hệ thống thủy lực. Học viên nghề sửa chữa ô tô tiếp cận kiến thức thực tế mà không cần hộp số thật đắt tiền. Phương pháp học tập này nâng cao hiệu quả tiếp thu và giảm chi phí đào tạo.

4.2. Hướng phát triển và cải tiến mô hình

Mô hình hộp số A343F có thể được cải tiến theo nhiều hướng khác nhau. Tích hợp hệ thống điều khiển điện tử thực tế để mô phỏng quá trình chuyển số tự động. Thêm cảm biến và màn hình hiển thị để theo dõi trạng thái hoạt động thời gian thực. Phát triển mô hình tương tác cho phép học viên thay đổi tham số và quan sát kết quả. Thiết kế module hóa để dễ dàng tháo lắp và thay thế từng cụm chi tiết. Mở rộng nghiên cứu cho các loại hộp số tự động đời mới hơn với nhiều cấp số hơn. Ứng dụng công nghệ mô phỏng 3D và thực tế ảo tăng cường trải nghiệm học tập.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan về đề tài nghiên cứu. • Chương 2: Tổng quan về hộp số tự động. 2 • Chương 3: Khảo sát hộp số tự động A343F. • Chương 4: Giới thiệu, thiết kế mô hình và thi công hệ thống điều khiển hộp số tự động A343F.

• Chương 5: Vận hành mô hình và ứng dụng. • Chương 6: Kết luận và kiến nghị. Phương pháp nghiên cứu: - Phương pháp thu thập thông tin. - Phương pháp tiếp cận thu thập thông tin.

- Phương pháp nghiên cứu tài liệu. - Phương pháp phi thực nghiệm. 3 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HỘP SỐ TỰ ĐỘNG. Lịch sử phát triển của hộp số tự động: Ngay từ những năm 1900, ý tưởng về một loại hộp số tự động chuyển số đã được các kỹ 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 được trang bị hộp số tự động. Việc điều khiển ô tô được đơn giản hóa bởi không còn bàn đạp ly hợp. Tuy nhiên do chế tạo phức tạp và khó bảo dưỡng sửa chữa 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 các loại xe mới với hộp số tự động đi kèm.

Từ đó đến nay hộp số tự động đã phát triển không ngừng và dần thay thế cho 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 để tăng tính an toàn khi sử dụng, hộp số tự động có cấp điều khiển bằng điện tử (ECT) ra đời vẫn chưa hài lòng với các cấp tỷ số truyền của ECT, các nhà sản xuất ô tô đã nghiên cứu, chế tạo thành công một loại hộp số tự động với vô số cấp tỷ số truyền (hộp số tự động vô cấp) vào những năm cuối của thế kỷ XX cụ thể như sau : • Hộp số tự động (HSTD), theo công bố của tài liệu công nghiệp ô tô CHLB Đức, ra đời vào 1934 tại hãng Chysler. Ban đầu HSTD sử dụng Ly họp thủy lực và Hộp số hành tinh, điêu khiển hoàn toàn bằng van con trượt thủy lực, sau đó chuyển sang dùng Biến mômen thủy lực đến ngày nay, tên gọi ngày nay dùng là AT.

• Tiếp sau đó là hãng ZIL (Liên xô cũ 1949) và các hãng Tây Âu khác (Đức, Pháp, Thụy sĩ). Phần lớn các HSTD trong thời kỳ này dùng hộp số hành tinh 3, 4 cấp trên cơ sở của bộ truyền hành tinh 2 bậc tự do kiểu Willson, kết cấu AT. • Sau những năm 1960 HSTD dùng trên ô tô tải và ô tô buýt với Biến mômen thủy lực và hộp số cơ khí có các cặp bánh răng ăn khóp ngoài, kết cấu AT. • 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 HSTD khác là hộp số vô cấp sử dụng bộ truyền đai kim loại (CVT) với các hệ thống điều khiển chuyển số bằng thủy lực điện tử (cũng là một dạng HSTD). 4 • 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 băng chân ga) và tình huống mặt đường, HSTD có 8 số truyền. Hệ thống truyền lực sử dụng HSTD được gọi là hệ thống truyền lực cơ khí thủy lực điện tử, là khu vực có nhiều ứng dụng của kỹ 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 thuộc vào 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 có thêm chức năng sang số bằng cần như hộp số thường.

Xuất phát từ yêu cầu cần thiết bị truyền công suất lớn ở vận tốc cao để trang bị trên các chiến hạm dùng trong quân sự, truyền động thủy cơ đã được nghiên cứu và sử dụng từ lâu. Sau đó, khi các hãng sản xuất ôtô trên thế giới phát triển mạnh và bắt đầu có sự cạnh tranh thì từ yêu cầu thực tế muốn nâng cao chất lượng xe của mình, đồng thời tìm những bước tiến về công nghệ mới nhằm giữ vững thị trường đã có cùng tham vọng mở rộng thị trường các hãng sản xuất xe trên thế giới đã bước vào cuộc đua tích hợp các hệ thống tự động lên các dòng xe xuất xưởng như: hệ thống chống hãm cứng bánh xe khi phanh, hệ thống chỉnh góc đèn xe tự động, hệ thống treo khí nén, hộp số tự động, hệ thống camera cảnh báo khi lùi xe, hệ thống định vị toàn cầu…Đây là bước tiến quan trọng thứ hai trong nền công nghiệp sản xuất ôtô sau khi động cơ đốt trong được phát minh và xe ôtô ra đời. Cho đến nửa đầu thập kỷ 70, hộp số được TOYOTA sử dụng phổ biến nhất là hộp số thường. Bắt đầu từ năm 1977 hộp số tự động được sử dụng lần đầu tiên trên xe CROWN và số lượng hộp số tự động được sử dụng trên xe tăng mạnh.

Ngày nay hộp số tự động được trang bị thậm chí trên cả xe hai cầu chủ động và xe tải nhỏ của hãng. Còn các hãng chế tạo xe khác trên thế giới như: HONDA, BMW, MERCEDES, GM,… Cũng đưa hộp số tự động áp dụng trên xe của mình ở gần mốc thời gian này.1 là các mốc thời gian hãng TOYOTA trang bị hộp số tự động trên các dòng xe. 1: Bảng các mốc thời gian trang bị hộp số tự động của TOYOTA 2. Các ưu điểm của hộp số tự động: 2.

Vì sao phải sử dụng hộp số tự động: Khi tài xế đang lái xe trang bị hộp số thường, cần sang số được sử dụng để chuyển số để tăng hay giảm mômen kéo ở các bánh xe. Khi lái xe lên dốc hay khi động cơ không có 6 đủ lực kéo để vượt chướng ngại ở số đang chạy, hộp số được chuyển về số thấp hơn bằng thao tác của người lái xe. Vì lý do này nên điều cần thiết đối với người lái xe là phải thường xuyên nhận biết tải và tốc độ động cơ để chuyển số một cách phù hợp. Ở xe sử dụng hộp số tự động những nhận biết như vậy của lái xe là không cần thiết vì việc chuyển đến số thích hợp nhất luôn được thực hiện một cách tự động tại thời điểm thích hợp nhất theo tải động cơ và tốc độ xe.

Các ưu điểm của hộp số tự động: So với hộp số thường, hộp số tự động có các ưu điểm sau: • Giảm mệt mỏi cho người lái qua việc loại bỏ thao tác ngắt và đóng ly hợp cùng thao tác chuyển số. • Chuyển số một cách tự động và êm dịu tại các tốc độ thích hợp với chế độ lái xe. • Tránh cho động cơ và dẫn động khỏi bị quá tải vì ly hợp cơ khí nối giữa động cơ và hệ thống truyền động theo kiểu cổ điển đã được thay bằng biến mô thủy lực có hệ số an toàn cao hơn cho hệ thống truyền động ở phía sau động cơ. • Tối ưu hóa các chế độ hoạt động của động cơ một cách tốt hơn so với xe lắp hộp số thường, điều này làm tăng tuổi thọ của động cơ được trang bị trên xe.

Phân loại hộp số: 2. Theo hệ thống sử dụng điều khiển: Theo cách điều khiển có thể chia hộp số tự động thành hai 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 bỡi sự biến đổi một cách cơ khí tốc độ xe thành áp suất ly tâm và độ mở bướm ga thành áp suất bướm ga rồi dùng các áp suất thủy lực này để điều khiển hoạt động của các ly hợp và phanh trong 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. Sơ đồ tín hiệu điều khiển : 7 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. Mặt khác, đối với 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.

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. vv )và tín hiệu điện từ bộ điều khiển thủy lực → ECT độngcơ và ECT → tín hiệu điện đến các van điện từ → bộ biến mô và bánh răng hành tinh. AT (Automatic Transmission) ECT* AT* (Electronic Controlled (Loại điều khiển hoàn toàn Transmission: Loại điều thủy lực) khiển điện) Điều khiển chuyển số và thời điểm khóa biến mô Dự phòng Chẩn đoán Chức năng khác Hình 2. 1 Hai loại hộp số tự động được phân loại theo hệ thống sử dụng để điều khiển.

Theo vị trí đặt trên xe: 8 Ngoài phân loại theo cách điều khiển thủy lực hay điều khiển điện hộp số tự động còn được phân loại theo vị trí đặt trên xe và thông thường được chia làm 2 loại: các hộp số sử dụng trên xe FF (động cơ đặt trước - cầu trước chủ động) và FR (động cơ đặt trước – cầu sau chủ động). Các hộp số sử dụng trên xe FF được thiết kế gọn nhẹ hơn so với loại lắp trên xe FR do chúng được lắp đặt trong khoang động cơ. Các hộp số sử dụng cho xe FR có bộ truyền bánh răng cuối cùng (vi sai) lắp ở bên ngoài, nhưng các hộp số sử dụng trên xe FF lại lắp ở bên trong. Loại hộp số tự động sử dụng trên xe FF còn gọi là “Hộp số có vi sai”.