Giới thiệu dự án

Trong ngành công nghiệp ô tô hiện đại, hệ thống truyền lực đóng vai trò quyết định đến hiệu suất vận hành, mức tiêu hao nhiên liệu và độ êm dịu (chỉ số NVH - Noise, Vibration, Harshness) của xe. Theo các báo cáo kỹ thuật ngành ô tô, hộp số ly hợp kép (Dual Clutch Transmission - DCT) giúp tối ưu hóa hiệu suất truyền động lên đến 95–97%, giảm 8–10% lượng phát thải $\text{CO}_2$ và mức tiêu hao nhiên liệu so với hộp số tự động thủy lực truyền thống (AT sử dụng biến mô). Nổi bật trong số đó là dòng hộp số Powershift DPS6 (mã phụ tùng PS195 / DCPS) trang bị trên các dòng xe Ford (như EcoSport 1.5L Ti-VCT, Fiesta, Focus).

Tuy nhiên, hộp số DPS6 tích hợp cơ chế cơ điện tử (Electromechanical Actuation) phức tạp gồm hai trục sơ cấp lồng nhau, hai trống chuyển số quay theo góc chuyên biệt và cụm ly hợp kép khô độc lập. Cấu trúc đóng kín này tạo ra rào cản lớn trong việc giảng dạy, trực quan hóa nguyên lý truyền lực và đào tạo thực tế tại các cơ sở đào tạo chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô. Đề tài tốt nghiệp "Nghiên cứu thi công mô hình hộp số DPS6" tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh đã giải quyết triệt để vấn đề này bằng giải pháp bóc tách, cắt bổ giải phẫu và phục hồi động học của cụm hộp số phục vụ công tác nghiên cứu - đào tạo.

graph TD
    A["Động cơ 1.5L Ti-VCT Sigma"] --> B["Cụm Ly hợp kép khô (DPS6)"]
    B --> C1["Trục sơ cấp A (Trục đặc - Bánh răng lẻ: 1, 3, 5)"]
    B --> C2["Trục sơ cấp B (Trục rỗng - Bánh răng chẵn & R: 2, 4, 6, R)"]
    C1 --> D1["Trục thứ cấp A & B"]
    C2 --> D2["Trục thứ cấp A & B"]
    D1 --> E["Bánh răng bị động truyền lực chính"]
    D2 --> E
    E --> F["Bộ vi sai & Trục bán trục đến bánh xe"]

Mục tiêu của dự án:

  1. Khảo sát giải phẫu và hệ thống hóa kết cấu: Làm rõ nguyên lý hoạt động của cụm ly hợp kép khô chủ động, cơ cấu gài số điện cơ thông qua mô-tơ DC không chổi than, trục vít me bi và hai trống quay định vị càng gạt.
  2. Thi công cắt bổ vỏ và cụm chi tiết máy: Xác định chính xác các tọa độ cắt không xâm lấn vùng gối đỡ ổ bi, đảm bảo độ cứng vững của kết cấu vỏ nhôm hai nửa sau khi cắt.
  3. Bảo toàn và khôi phục động học truyền lực: Duy trì nguyên vẹn hành trình chuyển động, khe hở ăn khớp bánh răng, hoạt động của bộ đồng tốc đơn/kép và cụm vi sai khi quay dẫn động thủ công.
  4. Biên soạn quy trình thực hành & tài liệu chuyển giao: Xây dựng bộ bài giảng thực hành trực quan và cẩm nang kiểm tra thông số kỹ thuật (khe hở căn lá, hành trình nạng chuyển số, độ rơ dọc trục).

Phạm vi và giới hạn đề tài:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hộp số tự động ly hợp kép 6 cấp khô Powershift DPS6 trên xe Ford EcoSport 2015 trang bị động cơ xăng 1.5L Ti-VCT Sigma (Mã ENUE, công suất 110 PS tại 6.045 vòng/phút, mô-men xoắn 142 Nm tại 4.500 vòng/phút).
  • Phạm vi gia công: Cắt bổ vỏ hợp kim nhôm, xử lý làm sạch, sơn phủ phân biệt các luồng truyền động, gắn lên giá đỡ cơ khí có bánh xe di chuyển và khóa định vị góc xoay.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Tiêu chí so sánh Hộp số sàn (MT - 5 cấp) Hộp số tự động Biến mô (6-AT) Hộp số Ly hợp kép khô (Powershift DPS6)
Hiệu suất truyền động Cao (~95%) Trung bình (~85 - 88% do trượt thủy lực) Rất cao (~95 - 97%)
Thời gian chuyển số Chậm (500 - 800 ms phụ thuộc người lái) Trung bình (300 - 500 ms) Rất nhanh (dưới 200 ms)
Dung tích dầu bôi trơn Thấp (~1.5 - 2.0 Lít) Rất lớn (7.0 - 9.0 Lít kèm két làm mát) Cực thấp (1.2 Lít tiêu chuẩn WSS-M2C200-D2)
Cơ cấu điều khiển Cơ khí thuần túy qua cần đi số Thủy lực điện tử (Van Solenoid + Valve Body) Cơ điện tử (Brushless DC Motors + TCM tích hợp)
Khả năng trực quan đào tạo Dễ quan sát cấu tạo bánh răng Cụm bánh răng hành tinh rất khó thấu thị Cần cắt bổ chính xác các khoang trục lồng nhau

Yêu cầu hệ thống theo mô hình MoSCoW

  • Must have (Bắt buộc): Cắt hở vỏ ngoài để quan sát được 100% sự ăn khớp của 6 cấp số tiến và 1 số lùi; cơ cấu ly hợp kép khô $C_1/C_2$; 2 trống quay điều khiển càng cua gạt số; cụm khóa đỗ P.
  • Should have (Nên có): Giá đỡ xoay được hộp số, có chốt an toàn; tay quay cưỡng bức đầu trục sơ cấp để mô phỏng chuyển động thực tế.
  • Could have (Có thể mở rộng): Đèn LED rọi khoang bánh răng và sơn phủ mã màu phân định dòng công suất trục A (số lẻ) và trục B (số chẵn/lùi).
  • Won't have (Chưa thực hiện): Cấp nguồn 12V kích hoạt tự động các mô-tơ bước qua CAN Bus (do giới hạn an toàn mô hình cơ khí xưởng).
          [Cụm Ly Hợp Kép Khô]
          |-- Đĩa ma sát 1 (C1: Số 1, 3, 5) --> [Trục sơ cấp A (Lõi đặc)]
          |-- Đĩa ma sát 2 (C2: Số 2, 4, 6, R) --> [Trục sơ cấp B (Ống rỗng lồng ngoài)]
                                                      |
    +-------------------------------------------------+---------------------------------------------+
    |                                                                                               |
[Trống chuyển số A - Quay góc 200°]                                            [Trống chuyển số B - Quay góc 290°]
    |-- Càng gạt 1/5 (Góc 10° -> Số 1, 190° -> Số 5)                              |-- Càng gạt R/4 (Góc 10° -> Số R, 190° -> Số 4)
    |-- Càng gạt 3 (Góc 100° -> Số 3)                                             |-- Càng gạt 2/6 (Góc 100° -> Số 2, 280° -> Số 6)

Thông số kỹ thuật của hệ thống hộp số DPS6

Hộp số DPS6 nặng tổng cộng 76 kg, sử dụng 1.2 Lít dầu bôi trơn bánh răng phẩm cấp Ford WSS-M2C200-D2. Các tiêu chuẩn lắp ghép kỹ thuật khắt khe được kiểm định nghiêm ngặt:

  • Khe hở vành bộ đồng tốc tới mặt bên bánh răng: Tối thiểu $1.00\text{ mm}$ ($0.039\text{ inch}$).
  • Khe hở nạng chuyển số và ống lót moay-ơ: Tiêu chuẩn $0.75 - 1.25\text{ mm}$ (Tối đa $1.85\text{ mm}$).
  • Khe hở hướng kính bánh răng số 1 đến 6: Tối đa $0.055\text{ mm}$ ($0.002\text{ inch}$).
  • Khe hở dọc trục bánh răng: Số 1 ($0.645\text{ mm}$), Số 2 ($0.495\text{ mm}$), Số 3 ($0.595\text{ mm}$), Số 4 ($0.625\text{ mm}$), Số 5 ($0.520\text{ mm}$), Số 6 ($0.510\text{ mm}$), Số Lùi ($0.590\text{ mm}$).
  • Căn chỉnh tải trọng ổ bi vi sai: Lựa chọn tấm chêm (Shims) mã phụ tùng AE8P-7F119-xx từ dải $0.500\text{ mm}$ đến $1.200\text{ mm}$ (dung sai bước đệm $0.050\text{ mm}$).

Implementation và kết quả

Quy trình thi công và bóc tách cơ khí

Quá trình thi công được thực hiện qua 4 giai đoạn chính xác nhằm duy trì tính toàn vẹn cơ học của các đường trục:

[Giai đoạn 1: Tháo rã chuyên dụng] 
  --> Dùng cảo chuyên dụng tháo cụm ly hợp kép khô, bộ gài số và cụm TCM
[Giai đoạn 2: Phác thảo & Phân tích ứng suất] 
  --> Vẽ biên dạng đường cắt trên vỏ nhôm hai nửa bằng dưỡng định vị
[Giai đoạn 3: Gia công cắt bổ & Xử lý bavia] 
  --> Cắt cơ khí chính xác, phay bo góc R >= 3mm, mài bóng mép cắt
[Giai đoạn 4: Hiệu chỉnh khe hở & Lắp ráp hoàn thiện] 
  --> Kiểm tra độ rơ ngõng trục bằng đồng hồ so, siết lực bu lông theo tiêu chuẩn xưởng

# Thuật toán mô phỏng trạng thái định vị góc quay của Trống cần số A & B
class ShiftDrumController:
    def __init__(self):
        self.drum_A_angle = 0  # Trống A: Điều khiển số lẻ (1, 3, 5)
        self.drum_B_angle = 0  # Trống B: Điều khiển số chẵn (2, 4, 6) và Số lùi (R)

    def evaluate_drum_A_gear(self, angle: float) -> str:
        if 8.0 <= angle <= 12.0:
            return "Gài Số 1 (Fork 1/5 dịch chuyển về hướng tiến)"
        elif 50.0 <= angle <= 60.0:
            return "Vị trí Trung gian (Neutral giữa Số 1 và Số 3)"
        elif 95.0 <= angle <= 105.0:
            return "Gài Số 3 (Fork 3 dịch chuyển)"
        elif 140.0 <= angle <= 150.0:
            return "Vị trí Trung gian (Neutral giữa Số 3 và Số 5)"
        elif 185.0 <= angle <= 195.0:
            return "Gài Số 5 (Fork 1/5 dịch chuyển về hướng nghịch)"
        return "Góc chuyển tiếp hành trình cam A"

    def evaluate_drum_B_gear(self, angle: float) -> str:
        if 8.0 <= angle <= 12.0:
            return "Gài Số Lùi - Reverse (Fork R/4 dịch chuyển)"
        elif 50.0 <= angle <= 60.0:
            return "Vị trí Trung gian (Neutral giữa R và Số 2)"
        elif 95.0 <= angle <= 105.0:
            return "Gài Số 2 (Fork 2/6 dịch chuyển)"
        elif 140.0 <= angle <= 150.0:
            return "Vị trí Trung gian (Neutral giữa Số 2 và Số 4)"
        elif 185.0 <= angle <= 195.0:
            return "Gài Số 4 (Fork R/4 dịch chuyển)"
        elif 230.0 <= angle <= 240.0:
            return "Vị trí Trung gian (Neutral giữa Số 4 và Số 6)"
        elif 275.0 <= angle <= 285.0:
            return "Gài Số 6 (Fork 2/6 dịch chuyển)"
        return "Góc chuyển tiếp hành trình cam B"

Bảng tỷ số truyền động lực (Gear Ratio Table)

Dữ liệu tính toán tỷ số truyền trên dòng xe EcoSport trang bị động cơ 1.6L và 2.0L Duratec:

Cấp số Tỷ số truyền bánh răng ($i_g$) Tỷ số truyền lực cuối 1.6L ($i_f$) Tỷ số truyền tổng $i_{\Sigma}$ (1.6L) Tỷ số truyền lực cuối 2.0L ($i_f$) Tỷ số truyền tổng $i_{\Sigma}$ (2.0L)
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 lùi (R) 1.444 5.118 17.952 4.278 15.007 
[Nguyên lý ăn khớp đường truyền công suất]
- Số 1: Động cơ -> Ly hợp A -> Trục sơ cấp A (Lõi) -> Bánh răng 1 -> Bộ đồng tốc 1-5 -> Trục thứ cấp C -> Bánh răng E -> Bộ vi sai.
- Số 2: Động cơ -> Ly hợp B -> Trục sơ cấp B (Rỗng) -> Bánh răng 2 -> Bộ đồng tốc 2-6 -> Trục thứ cấp C -> Bánh răng E -> Bộ vi sai.
- Số R: Động cơ -> Ly hợp B -> Trục sơ cấp B -> Bánh răng 2 -> Bánh răng trung gian -> Bánh răng lùi -> BĐT 4-R -> Trục thứ cấp D -> Vi sai.

Kết quả đo kiểm và nghiệm thu mô hình

Mô hình sau khi hoàn thiện đạt được các tiêu chí kỹ thuật:

  • Độ chính xác hình học: Giữ vững tâm quay của 4 trục chính (2 trục sơ cấp lồng nhau, 2 trục thứ cấp C/D) với độ đảo đo được bằng đồng hồ so dưới $0.02\text{ mm}$.
  • Tính thấu thị cấu tạo: Quan sát trực diện $100%$ bề mặt làm việc của bộ ly hợp kép khô, góc xoay cam rãnh của Trống A ($200^\circ$) và Trống B ($290^\circ$), 4 càng cua gạt số và bộ vi sai bánh răng nón.
  • Tính công thái học: Mô hình được đặt trên khung thép chịu lực hộp $40\times40\times1.8\text{ mm}$, sơn tĩnh điện màu xám công nghiệp, trang bị 4 bánh xe chịu tải trọng $300\text{ kg}$ có chốt khóa chân.

Đổi mới và đóng góp

  1. Phương pháp cắt bổ định vị bảo toàn ứng suất: Khác với phương pháp cắt phá hủy ngẫu nhiên, đề tài đã thiết lập bản đồ cắt giải phẫu theo từng khoang chức năng (khoang ly hợp, khoang chuyển số, khoang bánh răng vi sai), giữ lại các xương gân chịu lực chính của thân nhôm, giúp mô hình không bị biến dạng khi tháo lắp nhiều lần.
  2. Trực quan hóa cơ chế chuyển số liên tục (Pre-selection mechanism): Mô hình thể hiện rõ trạng thái chuẩn bị số kế tiếp. Ví dụ: Khi xe đang chạy ở Số 1 (Ly hợp A đóng, Trục sơ cấp A truyền lực), Trống B đã quay $100^\circ$ để gài sẵn Số 2 trên Trục sơ cấp B ở trạng thái Ly hợp B mở. Khi sang số, chỉ diễn ra quá trình nhả Ly hợp A và đóng Ly hợp B đồng thời trong thời gian dưới $200\text{ ms}$, triệt tiêu hoàn toàn độ hẫng công suất.
  3. Bộ tài liệu kỹ thuật chuẩn hóa: Đóng góp sổ tay hướng dẫn thực hành tháo lắp, kiểm tra khe hở cơ khí chuẩn Ford (căn lá, đồng hồ so kiểm tra độ rơ dọc trục, lực siết bu lông đai ốc moay-ơ), cung cấp học cụ trực quan phục vụ cho hơn 500 sinh viên ngành ô tô mỗi năm.

Ứng dụng thực tế và triển khai

+-----------------------------------------------------------------------------+
|                      LỘ TRÌNH TRIỂN KHAI VÀ KHAI THÁC                      |
+-----------------------------------------------------------------------------+
| Giai đoạn 1: Đưa vào phòng thí nghiệm Động cơ & Khung gầm CKD - HCMUTE      |
|              -> Thực hiện các bài thí nghiệm cấu tạo hệ thống truyền động.   |
| Giai đoạn 2: Ứng dụng trong các khóa đào tạo kỹ thuật viên chẩn đoán         |
|              -> Mô phỏng các hư hỏng kẹt càng lừa, mòn ly hợp, lỗi TCM.     |
| Giai đoạn 3: Mở rộng tích hợp vi điều khiển & Cảm biến (Giai đoạn nâng cấp) |
|              -> Giả lập tín hiệu cảm biến ISS A/B, OSS và TR lên màn hình.  |
+-----------------------------------------------------------------------------+

Phân tích hiệu quả kinh tế (Cost-Benefit Analysis)

  • Chi phí gia công hoàn thiện từ hộp số chuyển giao: Khoảng 8–12 triệu VNĐ (gia công cơ khí, cắt CNC, làm khung giá đỡ, sơn phủ chuyên dụng).
  • So sánh thương mại: Mô hình cắt bổ nhập khẩu chính hãng từ các đơn vị thiết bị đào tạo quốc tế có giá từ 180–250 triệu VNĐ ($8.000 - $11.000 USD). Dự án tiết kiệm hơn 90% ngân sách đầu tư thiết bị cho nhà trường mà vẫn đảm bảo 100% mục tiêu sư phạm kỹ thuật.

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật

  • Điều khiển dẫn động: Hiện tại việc gài số và quay trục vẫn phải thao tác thủ công bằng tay quay trợ lực, chưa tích hợp hệ thống mạch điều khiển điện tử vi xử lý để tự động xoay các mô-tơ bước.
  • Hệ thống cảm biến: Các cảm biến Hall (ISS A, ISS B, OSS, TR) mới dừng lại ở việc quan sát vị trí lắp đặt vật lý, chưa kết nối trích xuất xung tín hiệu dạng sóng lên máy hiện sóng (Oscilloscope).

Hướng phát triển

  1. Lắp đặt 2 động cơ bước (Stepper Motor) điều khiển độc lập 2 trống quay thông qua vi điều khiển STM32/Arduino, lập trình các chế độ chuyển số P-R-N-D-S theo nút bấm.
  2. Tích hợp màn hình cảm ứng HMI $7\text{ inch}$ hiển thị thời gian thực góc quay của Trống A ($0 - 200^\circ$) và Trống B ($0 - 290^\circ$).
  3. Bố trí dải đèn LED RGB chiếu sáng đổi màu theo dòng truyền công suất (Số lẻ: Xanh lá; Số chẵn: Xanh dương; Số lùi: Đỏ).

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô: Nắm bắt trực quan cấu tạo trục sơ cấp lồng ruột, cơ chế hoạt động của ly hợp kép khô chủ động và đường truyền công suất 6 cấp số mà không còn phải trừu tượng qua hình vẽ 2D.
  • Giảng viên và kỹ thuật viên xưởng: Có học cụ trực quan để minh họa các bài giảng Lý thuyết Ô tô, Kết cấu Động cơ - Khung gầm và Thực hành chẩn đoán hệ thống truyền lực tự động.
  • Kỹ thuật viên tại các garage, đại lý ủy quyền: Hiểu sâu sắc cơ chế kẹt nạng chuyển số, mòn phớt trục sơ cấp gây lọt dầu vào khoang ly hợp khô, từ đó nâng cao kỹ năng xử lý lỗi thực tế trên các dòng xe thương mại.

Câu hỏi thường gặp

1. Thông số kỹ thuật khe hở bánh răng và càng gạt của hộp số DPS6 là bao nhiêu?

Theo tiêu chuẩn kỹ thuật dịch vụ của Ford, khe hở giữa vành bộ đồng tốc và mặt bên bánh răng phải đạt tối thiểu $1.00\text{ mm}$. Khe hở giữa nạng chuyển số và ống lót moay-ơ tiêu chuẩn từ $0.75 - 1.25\text{ mm}$ (tối đa cho phép $1.85\text{ mm}$ đối với nạng $1/5$ và $\text{R}/4$; tối đa $1.725\text{ mm}$ đối với nạng $3$ và $2/6$). Khe hở hướng kính bánh răng số $1 - 6$ tối đa là $0.055\text{ mm}$.

2. Nguyên lý phân chia trục sơ cấp trên hộp số DPS6 như thế nào?

Hộp số DPS6 sử dụng 2 trục sơ cấp đồng tâm lồng nhau:

  • Trục sơ cấp A (Trục đặc bên trong): Được dẫn động bởi Ly hợp 1, chịu trách nhiệm truyền mô-men xoắn cho các cấp số lẻ ($1, 3, 5$).
  • Trục sơ cấp B (Trục rỗng bên ngoài): Được dẫn động bởi Ly hợp 2, chịu trách nhiệm truyền mô-men xoắn cho các cấp số chẵn ($2, 4, 6$) và Số lùi ($\text{R}$).

3. Góc quay làm việc của 2 trống chuyển số (Shift Drums) được thiết kế ra sao?

  • Trống cần số A: Có tổng góc quay $200^\circ$, điều khiển càng gạt số $1/5$ và số $3$ qua các mốc góc: $0^\circ$ (khởi đầu) $\rightarrow 10^\circ$ (gài số 1) $\rightarrow 55^\circ$ (trung gian) $\rightarrow 100^\circ$ (gài số 3) $\rightarrow 145^\circ$ (trung gian) $\rightarrow 190^\circ$ (gài số 5) $\rightarrow 200^\circ$ (điểm dừng cơ học).
  • Trống cần số B: Có tổng góc quay $290^\circ$, điều khiển càng gạt số $\text{R}/4$ và số $2/6$ qua các mốc góc: $0^\circ \rightarrow 10^\circ$ (gài số R) $\rightarrow 55^\circ$ (trung gian) $\rightarrow 100^\circ$ (gài số 2) $\rightarrow 145^\circ$ (trung gian) $\rightarrow 190^\circ$ (gài số 4) $\rightarrow 235^\circ$ (trung gian) $\rightarrow 280^\circ$ (gài số 6) $\rightarrow 290^\circ$ (điểm dừng cơ học).

4. Loại dầu bôi trơn và dung tích yêu cầu trên hộp số Powershift DPS6?

Khác với hộp số tự động thủy lực cần $7 - 9\text{ Lít}$ dầu ATF, hộp số ly hợp kép khô DPS6 chỉ sử dụng $1.2\text{ Lít}$ dầu bôi trơn đạt tiêu chuẩn chất lượng Ford WSS-M2C200-D2. Cụm ly hợp nằm ở khoang khô hoàn toàn độc lập, dầu chỉ làm nhiệm vụ bôi trơn và giải nhiệt cho các bánh răng, ổ bi và bộ đồng tốc bên trong thân hộp số.

5. Chi phí chế tạo và bảo dưỡng mô hình có tốn kém không?

Chi phí hoàn thiện mô hình thực nghiệm cắt bổ dao động từ 8–12 triệu VNĐ, tiết kiệm hơn 90% so với mua sắm mô hình thương mại nhập khẩu. Quy trình bảo dưỡng định kỳ vô cùng đơn giản: chỉ cần tra mỡ silicon chống rỉ tại các đường cắt kim loại hở, bôi trơn các khớp cam rãnh và giữ mô hình ở môi trường khô thoáng.

Kết luận

Đề tài "Nghiên cứu thi công mô hình hộp số DPS6" đã thực hiện thành công việc giải mã chi tiết kết cấu cơ điện tử của hộp số tự động ly hợp kép 6 cấp khô Powershift. Bằng phương pháp bóc tách cơ khí chính xác, bảo toàn động học liên kết và xây dựng bộ tài liệu kỹ thuật hoàn chỉnh, đề tài mang lại giá trị thực tiễn cao cho công tác đào tạo và nghiên cứu kỹ thuật ô tô. Mô hình không chỉ đáp ứng xuất sắc các tiêu chí thẩm mỹ, độ bền và tính sư phạm trực quan, mà còn tạo nền tảng vững chắc cho các nghiên cứu tích hợp vi điều khiển và mô phỏng tự động hóa trong tương lai.