Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự phát triển của khoa học kỹ thuật thúc đẩy các ngành công nghiệp chuyển dịch mạnh mẽ theo xu hướng tự động hóa, trong đó ngành công nghiệp sản xuất ô tô là một trong những lĩnh vực tiên phong. Tại Việt Nam, ngành công nghệ kỹ thuật ô tô đang từng bước mở rộng quy mô và tham gia sâu hơn vào các công đoạn lắp ráp, bảo dưỡng và sản xuất. Trên các phương tiện giao thông hiện đại, hệ thống truyền động tự động được trang bị phổ biến nhằm tối ưu hóa khả năng vận hành, giảm thao tác điều khiển cho người lái và nâng cao độ an toàn giao thông. Hộp số tự động ly hợp kép (Dual-Clutch Transmission) là giải pháp dung hòa giữa hiệu suất truyền lực cao của hộp số sàn và sự êm ái, tiện dụng của hộp số tự động thủy lực truyền thống.

Nhằm đáp ứng yêu cầu nâng cao kiến thức chuyên môn về hệ thống điều khiển tự động trên ô tô cho đội ngũ kỹ thuật và xây dựng trang thiết bị thực hành trực quan, đề tài "Nghiên cứu thi công mô hình hộp số DPS6" được thực hiện với các mục tiêu và nhiệm vụ sau:

  1. Tổng quan lý thuyết về hộp số tự động ly hợp kép khô 6 cấp PowerShift – DPS6 và phạm vi ứng dụng trên dòng xe Ford EcoSport 2015.
  2. Phân tích kết cấu cơ khí, nguyên lý điều khiển điện cơ, các cảm biến điện tử và sơ đồ đường truyền công suất ở từng tay số (số 1 đến số 6 và số lùi).
  3. Nghiên cứu quy trình tháo rời cụm chi tiết bằng dụng cụ chuyên dụng, tính toán phác thảo vị trí cắt và thực hiện thi công cắt bổ vỏ kim loại cùng các chi tiết cơ khí của hộp số DPS6.
  4. Xử lý bề mặt, sơn phân màu chi tiết, hoàn thiện lắp ráp mô hình trên khung giá đỡ có bánh xe di chuyển phục vụ công tác giảng dạy và thực hành.
  5. Biên soạn hệ thống tài liệu hướng dẫn sử dụng, quy trình tháo lắp và kiểm tra khe hở kỹ thuật trên mô hình.
  6. Đánh giá kết quả thực hiện và đề xuất kiến nghị phát triển.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hộp số tự động 6 cấp ly hợp kép khô PowerShift – DPS6 (còn gọi là PS195 hoặc DCPS).
  • Phạm vi không gian: Xưởng thực hành ô tô thuộc Khoa Cơ khí Động lực (CKD), Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.
  • Phạm vi thời gian: Đồ án được triển khai thực hiện từ ngày 16/02/2023 đến ngày 01/07/2023.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đồ án dựa trên cấu trúc truyền động cơ khí của hộp số ly hợp kép khô kết hợp hệ thống chấp hành điện cơ. Hộp số DPS6 chia tách thành hai cụm truyền động độc lập đặt trong một thân vỏ chung, điều khiển bởi Bộ điều khiển hộp số (Transmission Control Module - TCM) tích hợp hai mô tơ điện một chiều không chổi than (DC Motors).

Hệ thống sử dụng hai trục sơ cấp lồng nhau:

  • Trục sơ cấp A (trục đặc, nằm trong): Dẫn động các bánh răng số lẻ (số 1, 3, 5) kết hợp cảm biến tốc độ đầu vào ISS A.
  • Trục sơ cấp B (trục rỗng, nằm ngoài): Dẫn động các bánh răng số chẵn (số 2, 4, 6) và số lùi (R) kết hợp cảm biến tốc độ đầu vào ISS B.
  • Hệ thống cảm biến và giám sát: Cảm biến tốc độ đầu ra (OSS), cảm biến vị trí dải số (TR), cùng các giao tiếp mạng truyền thông với Hộp điều khiển hệ thống truyền động (PCM) và Hộp điều khiển hệ thống điện thân xe (BCM).

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm cơ khí:

  • Phương pháp phân tích, tổng hợp và thống kê: Thu thập và xử lý các thông số kỹ thuật tiêu chuẩn từ tài liệu đào tạo chính hãng của Ford Việt Nam và trang thông tin kỹ thuật của Ford.
  • Phương pháp quy nạp và diễn giải: Phân tích logic chuyển số tuần tự thông qua góc quay của hai trống cần số có rãnh cam và quy trình bù trừ lực kẹp ly hợp.
  • Phương pháp thực nghiệm cơ khí: Tháo rã cụm chi tiết hộp số thực tế bằng bộ đồ gá chuyên dụng, xác định biên dạng cắt mở vỏ nhôm hai phần, gia công cắt gọt kim loại, tẩy rửa hóa chất, sơn phủ phân định màu sắc kỹ thuật và chế tạo khung giá đỡ chịu tải.
  • Nguồn dữ liệu: Tài liệu kỹ thuật xe Ford EcoSport 2015, dữ liệu tiêu chuẩn kỹ thuật hộp số DPS6, động cơ xăng 1.5L (TI-VCT) Sigma và động cơ 2.0L Duratec HE.

Thiết kế và triển khai mô hình kỹ thuật

Quy trình thi công mô hình cắt bổ hộp số DPS6 được triển khai tuần tự qua các giai đoạn kỹ thuật:

Giai đoạn Nội dung công việc và yêu cầu kỹ thuật
1. Tiếp nhận và tháo rã - Xả sạch 1,2 lít dầu bôi trơn chuyên dụng (WSS-M2C200-D2).
- Sử dụng bộ cảo chuyên dùng để tháo rời cụm ly hợp kép khô chủ động.
- Tháo các cảm biến tốc độ (ISS A, ISS B, OSS), cảm biến vị trí (TR), cơ cấu khóa đỗ xe (P).
- Tách vỏ hộp số nhôm hai phần, tháo rời trục sơ cấp lồng nhau, trục thứ cấp A, B và bộ vi sai.
2. Phác thảo và cắt bổ - Xác định tọa độ và phác thảo các đường cắt trên bề mặt vỏ nhôm hộp số và nắp đậy.
- Cắt bỏ các phân đoạn vỏ kim loại nhằm bộc lộ rõ: cụm ly hợp kép, bộ gài ly hợp, các cặp bánh răng số 1 đến số 6, bánh răng số lùi, hai trống cần số, càng gạt và vành răng vi sai.
- Đảm bảo không làm biến dạng các vị trí gối đỡ ổ bi và đường dẫn hướng thanh trượt.
3. Xử lý bề mặt và sơn màu - Mài nhẵn các cạnh cắt kim loại, loại bỏ ba-via và mạt nhôm.
- Tẩy rửa dầu mỡ công nghiệp trên các bề mặt cơ khí.
- Sơn phân định màu sắc tương phản cho từng cụm: vỏ hộp số, dãy bánh răng số lẻ (trục A), dãy bánh răng số chẵn/lùi (trục B), càng cua gạt số và bộ đồng tốc.
4. Lắp ráp và gá đặt - Lắp ráp lại toàn bộ các cụm chi tiết vào thân hộp số theo đúng trình tự kỹ thuật.
- Kiểm tra khe hở và khả năng quay trơn tru của các trục truyền động, cơ cấu gài ly hợp.
- Gá đặt cố định toàn bộ cụm mô hình lên khung giá đỡ bằng thép định hình có lắp bánh xe di chuyển.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về đề tài

Trình bày tính cấp thiết của việc tiếp cận công nghệ hộp số tự động trong bối cảnh ngành công nghiệp ô tô hiện đại. Xác định mục tiêu chế tạo mô hình học cụ trực quan cắt bổ từ hộp số tự động PowerShift – DPS6 thực tế, phục vụ công tác giảng dạy thực hành tại xưởng ô tô Khoa Cơ khí Động lực (CKD), Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.

Chương 2: Tổng quan về xe Ford EcoSport có lắp hộp số tự động PowerShift - DPS6

Trình bày chi tiết thông số kỹ thuật xe Ford EcoSport 2015, động cơ xăng 1.5L TI-VCT Sigma (mã ENUE) và các tiêu chuẩn hình học, khe hở cơ khí của hộp số DPS6.

Bảng 1: Thông số kỹ thuật động cơ 1.5L TI-VCT Sigma và hộp số DPS6

Hạng mục thông số Giá trị kỹ thuật
Kiểu động cơ / Mã động cơ Xăng 4 xi-lanh thẳng hàng / ENUE
Dung tích xi lanh / Tỷ số nén 1498,5 cc / 11:1
Đường kính xi lanh x Hành trình pít tông 79,0 mm x 76,4 mm
Công suất tối đa 81 kW (110 PS) tại 6045 vòng/phút
Mô-men xoắn tối đa 142 Nm tại 4500 vòng/phút
Trọng lượng hộp số DPS6 / Dung tích dầu 76 kg / 1,2 lít (Dầu WSS-M2C200-D2)
Khe hở nhả Ly hợp 1 / Ly hợp 2 Tối thiểu 26 mm / Tối thiểu 15 mm
Khe hở vành bộ đồng tốc Tối thiểu 1,00 mm (0,039 inch)
Khe hở nạng gạt - moay ơ số 1/5 và số 4/R Tiêu chuẩn: 0,75 - 1,25 mm; Tối đa: 1,85 mm
Khe hở nạng gạt - moay ơ số 3 và số 2/6 Tiêu chuẩn: 0,625 - 1,25 mm; Tối đa: 1,725 mm
Khe hở hướng kính bánh răng số 1 đến số 6 Tối đa 0,055 mm (Số lùi: tối đa 0,073 mm)
Khe hở dọc trục bánh răng số 1 đến số 6 Dao động từ 0,495 mm đến 0,645 mm

Chương này cũng phân tích kết cấu bộ ly hợp kép khô mở ở trạng thái nghỉ, cơ cấu gài ly hợp dùng hai vòng bi di trượt bù sai lệch, bộ dẫn động cần điện cơ dùng vít me bi kết hợp lò xo nén, và kết cấu hộp điều khiển TCM tích hợp mô tơ chuyển số.

Bảng 2: Tỉ số truyền của hộp số DPS6 trên hai phiên bản động cơ

Tay số Tỷ số truyền bánh răng Tỷ số truyền cuối (1.6L Ti-VCT) Tỷ số toàn bộ (1.6L Ti-VCT) Tỷ số truyền cuối (2.0L Duratec) Tỷ số toàn bộ (2.0L Duratec)
Số 1 3,917 4,579 17,934 3,850 15,079
Số 2 2,429 4,579 11,120 3,850 9,350
Số 3 1,436 5,118 7,348 4,278 6,143
Số 4 1,021 5,118 5,227 4,278 4,369
Số 5 0,867 4,579 3,968 3,850 3,337
Số 6 0,702 4,579 3,215 3,850 2,703
Số R 1,444 5,118 17,952 4,278 15,007

Chương 3: Kết cấu hộp số tự động PowerShift - DPS6

Phân tích chi tiết đường truyền công suất từ động cơ qua hai trục sơ cấp lồng nhau đến hai trục thứ cấp và vi sai cho toàn bộ 7 tay số. Đồng thời, mô tả nguyên lý điều khiển chuyển số độc lập thông qua hai trống cần số rãnh cam:

Bảng 3: Góc quay định vị chuyển số của Trống cần số A và B

Bộ phận Góc quay (Độ) Trạng thái hoạt động và tay số được gài
Trống cần số A
(Tổng góc quay 200°)		 0° Vị trí đầu dưới
10° Càng gạt di chuyển dọc trục, gài số 1
55° Vị trí trung gian giữa số 1 và số 3
100° Càng gạt di chuyển dọc trục, gài số 3
145° Vị trí trung gian giữa số 3 và số 5
190° Càng gạt di chuyển dọc trục, gài số 5
200° Vị trí đầu trên (Điểm dừng giới hạn)
Trống cần số B
(Tổng góc quay 290°)		 0° Vị trí đầu dưới
10° Càng gạt di chuyển dọc trục, gài số lùi (R)
55° Vị trí trung gian giữa số lùi và số 2
100° Càng gạt di chuyển dọc trục, gài số 2
145° Vị trí trung gian giữa số 2 và số 4
190° Càng gạt di chuyển dọc trục, gài số 4
235° Vị trí trung gian giữa số 4 và số 6
280° Càng gạt di chuyển dọc trục, gài số 6
290° Vị trí đầu trên (Điểm dừng giới hạn)

Chương 4: Thi công mô hình hộp số tự động PowerShift – DPS6

Ghi nhận toàn bộ quy trình thực nghiệm gia công cơ khí: tháo rã các cụm chi tiết bằng dụng cụ chuyên dụng, xử lý xả dầu bôi trơn, cắt bổ các cửa sổ quan sát trên vỏ nhôm, mài nhẵn bavia mép cắt, tẩy rửa hóa chất, sơn phủ phân màu các dãy bánh răng và hoàn thiện việc gá đặt trên khung giá đỡ chuyên dụng.

Chương 5: Sử dụng mô hình hộp số tự động PowerShift – DPS6 trong công tác giảng dạy

Trình bày phương án ứng dụng mô hình thực tế vào chương trình đào tạo chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô. Xây dựng tài liệu hướng dẫn thực hành quan sát cấu tạo ly hợp kép, nguyên lý lồng trục sơ cấp, cơ chế sang số bằng trống cam và quy trình tháo lắp, đo đạc khe hở kỹ thuật.

Chương 6: Kết luận

Tổng kết các kết quả kỹ thuật đạt được trong quá trình nghiên cứu và gia công mô hình, khẳng định tính khả thi trong việc ứng dụng mô hình làm học cụ đào tạo tại xưởng.

Kết quả và đóng góp

  • Kết quả thực nghiệm:
    • Gia công và lắp ráp hoàn thiện 01 mô hình cắt bổ hộp số tự động ly hợp kép khô DPS6, bộc lộ rõ cấu trúc hai trục sơ cấp lồng nhau, hai trục thứ cấp, bộ vi sai, cụm ly hợp kép, bộ dẫn động vít me bi và cơ cấu hai trống chuyển số.
    • Tổng hợp đầy đủ bảng dữ liệu kỹ thuật tiêu chuẩn của hộp số DPS6, bao gồm bảng chọn 13 kích cỡ miếng chêm vi sai từ 0,500 mm đến 1,200 mm (mã phụ tùng AE8P-7F119-AA đến RA) và các thông số khe hở ăn khớp bánh răng, nạng gạt.
    • Lắp đặt mô hình hoàn chỉnh trên giá đỡ kim loại có bánh xe di động, cho phép quay tay truyền động để quan sát trực quan dòng truyền lực ở các tay số từ số 1 đến số 6 và số lùi.
  • Giải pháp và đề xuất:
    • Ứng dụng mô hình vào các học phần thực hành: Cấu tạo ô tô, Thực tập Hệ thống truyền lực và Chẩn đoán kỹ thuật ô tô.
    • Tuân thủ quy trình kỹ thuật khi sửa chữa thực tế: thay thế đồng bộ cả cụm TCM khi xảy ra sự cố điện tử, không tháo rời các thành phần đơn lẻ của bộ điều khiển.
  • Đóng góp học thuật và đào tạo:
    • Chuyển hóa các nguyên lý cơ điện tử phức tạp của hộp số ly hợp kép khô từ sơ đồ 2D trong tài liệu thành mô hình vật thể 3D trực quan.
    • Xây dựng tài liệu tham khảo có tính hệ thống về thông số hình học, khe hở kỹ thuật và phương pháp tháo lắp bằng dụng cụ chuyên dụng cho sinh viên ngành ô tô.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Nghiên cứu giới hạn ở dạng mô hình cơ khí cắt bổ tĩnh quay tay, chưa tích hợp hệ thống điện điều khiển tự động bên ngoài để kích hoạt trực tiếp các mô tơ chấp hành DC không chổi than và TCM hoạt động bằng nguồn điện thực tế.
    • Đề tài chỉ thực hiện thi công thực nghiệm trên 01 mẫu hộp số DPS6 trang bị cho xe Ford EcoSport 2015 (động cơ 1.5L TI-VCT Sigma); các biến thể tỷ số truyền khác (như bản 2.0L Duratec HE) dừng lại ở mức độ khảo sát lý thuyết.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Thiết kế và lắp đặt mạch điều khiển điện tử rời, cấp nguồn độc lập cho các mô tơ chuyển số và mô tơ ly hợp để mô phỏng quá trình tự động sang số trên mô hình.
    • Mở rộng bài thực hành chẩn đoán lỗi thông qua kết nối cổng OBD-II, đọc và xóa mã lỗi của TCM, phân tích tín hiệu xung của các cảm biến tốc độ ISS A, ISS B, OSS và cảm biến TR.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án và mô hình thi công mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho:

  • Sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Cơ khí Động lực: Nguồn tư liệu trực quan phục vụ học tập, nghiên cứu kết cấu hộp số ly hợp kép khô và phương pháp thi công mô hình học cụ kỹ thuật.
  • Giảng viên chuyên ngành: Sử dụng trực tiếp làm thiết bị dạy học thực hành, minh họa dòng truyền công suất và nguyên lý hoạt động của cơ cấu chuyển số dạng trống cam.
  • Kỹ thuật viên sửa chữa ô tô: Tham khảo quy trình tháo lắp ly hợp kép khô, sử dụng dụng cụ chuyên dụng và tra cứu các tiêu chuẩn khe hở bánh răng, nạng gạt, vành đồng tốc và kích thước đệm chêm vi sai.

Câu hỏi thường gặp

1. Ký hiệu DPS6 của hộp số có ý nghĩa kỹ thuật cụ thể là gì?
Ký hiệu DPS6 viết tắt cho: D (Dual dry clutch - Ly hợp kép khô), PS (PowerShift - Công nghệ chuyển số tự động liên tục không ngắt quãng truyền lực), 6 (Hộp số có 6 cấp số tiến). Trong hệ thống danh mục phụ tùng của Ford, hộp số này còn được gọi là PS195 hoặc DCPS.

2. Hộp số DPS6 xử lý như thế nào khi xảy ra lỗi ở một trong hai bộ ly hợp?
Hộp số có chế độ vận hành dự phòng giới hạn: nếu ly hợp 2 hoặc các bộ phận liên quan bị lỗi, xe vẫn duy trì vận hành ở các tay số lẻ (số 1, 3 và 5); nếu ly hợp 1 bị lỗi, xe duy trì vận hành ở các tay số chẵn và số lùi (số 2, 4, 6 và R).

3. Cơ cấu chuyển số của hộp số DPS6 sử dụng góc quay của trống cần số như thế nào?
Hệ thống sử dụng hai trống cần số có rãnh cam điều khiển bởi mô tơ DC: Trống cần số A có tổng góc quay 200° để điều khiển gài các số 1 (ở 10°), số 3 (ở 100°), số 5 (ở 190°); Trống cần số B có tổng góc quay 290° để điều khiển gài số lùi R (ở 10°), số 2 (ở 100°), số 4 (ở 190°), số 6 (ở 280°).

4. Khe hở kỹ thuật tiêu chuẩn của ly hợp và vành đồng tốc trên hộp số DPS6 là bao nhiêu?
Theo tiêu chuẩn nhà sản xuất, sau khi nhả ly hợp, hành trình của Ly hợp 1 tối thiểu là 26 mm và Ly hợp 2 tối thiểu là 15 mm. Khe hở giữa vành bộ đồng tốc và mặt bên của bánh răng đo bằng căn lá phải đạt tối thiểu 1,00 mm (0,039 inch).

5. Vì sao khi hộp điều khiển TCM gặp sự cố kỹ thuật lại bắt buộc phải thay thế toàn bộ?
Hộp điều khiển TCM tích hợp sẵn hai mô tơ điện DC không chổi than chuyển số và hệ vi mạch xử lý tín hiệu trong một khối thân kín duy nhất. Để đảm bảo độ chính xác đồng bộ và tiêu chuẩn kỹ thuật từ nhà sản xuất, TCM không thể tháo rời để sửa chữa linh kiện đơn lẻ mà phải thay thế nguyên cụm.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu thi công mô hình hộp số DPS6" đã giải quyết đầy đủ cơ sở lý thuyết về kết cấu cơ khí, sơ đồ đường truyền công suất và nguyên lý điều khiển điện cơ của dòng hộp số ly hợp kép khô trên xe Ford EcoSport 2015. Thông qua phương pháp thực nghiệm cơ khí, nhóm tác giả đã chế tạo thành công mô hình cắt bổ trực quan, bộc lộ toàn diện các chi tiết chuyển động phức tạp bên trong hộp số và gá đặt an toàn trên khung giá đỡ cơ động. Công trình cung cấp nguồn dữ liệu thông số kỹ thuật chuẩn xác cùng các bài tập thực hành ứng dụng, đóng góp thiết thực cho công tác đào tạo và nghiên cứu kỹ thuật ô tô.