Thi công mô hình cắt hộp số tự động CVT

Đồ án thi công mô hình cắt hộp số tự động vô cấp CVT JF017E Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

• Tác giả: Võ Anh Kiệt
• Người hướng dẫn: ThS. Thái Huy Phát
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật ô tô
• Đề tài: Thi công mô hình cắt hộp số tự động CVT
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về mô hình cắt hộp số tự động CVT

Hộp số vô cấp CVT (Continuously Variable Transmission) là công nghệ truyền động tiên tiến, được ứng dụng rộng rãi trên các dòng xe hiện đại. Khác với hộp số truyền thống, CVT không có các cấp số cố định mà thay đổi tỉ số truyền liên tục thông qua cơ cấu đai và pulley. Đây là lý do CVT mang lại trải nghiệm lái xe mượt mà và tiết kiệm nhiên liệu vượt trội. Đồ án tốt nghiệp tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM (HCMUTE) do sinh viên Võ Anh Kiệt và Huỳnh Huy Khôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Thái Huy Phát tập trung vào việc thi công mô hình cắt hộp số vô cấp JF017E. Mô hình được chế tác nhằm minh họa trực quan cấu tạo bên trong và nguyên lý vận hành của hệ thống. Quy trình thi công bao gồm cắt mở vỏ hộp số, xử lý bề mặt, sơn hoàn thiện và lắp đặt hệ thống điều khiển mới bằng khí nén thay thế cho hệ thống thủy lực nguyên bản. Mô hình phục vụ trực tiếp công tác giảng dạy và nghiên cứu khoa học tại Khoa Cơ khí Động lực, góp phần nâng cao chất lượng đào tạo ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô.

1.1. Giới thiệu hộp số vô cấp JF017E

Hộp số JF017E là loại hộp số vô cấp CVT do Jatco sản xuất, được trang bị phổ biến trên các dòng xe Nissan và Mitsubishi. Hộp số gồm các bộ phận chính: biến mô thủy lực, cụm pulley sơ cấp và thứ cấp, đai xích truyền lực, bộ truyền bánh răng hành tinh và hệ thống điều khiển điện tử TCM. Cấu trúc này cho phép tỉ số truyền thay đổi liên tục từ giá trị thấp nhất đến cao nhất mà không tạo ra cảm giác giật cấp, đem lại hiệu suất vận hành tối ưu cho người lái.

1.2. Vai trò của mô hình cắt trong đào tạo kỹ thuật

Mô hình cắt hộp số CVT là công cụ trực quan hóa quan trọng trong giảng dạy kỹ thuật ô tô. Khi phần vỏ hộp số được cắt mở, người học có thể quan sát trực tiếp vị trí và chuyển động của từng chi tiết bên trong. Phương pháp này giúp rút ngắn thời gian tiếp thu lý thuyết, tăng khả năng ghi nhớ và kích thích tư duy kỹ thuật. Tại HCMUTE, mô hình được đưa vào phòng thực hành Khoa Cơ khí Động lực, phục vụ sinh viên từ nhiều khóa học khác nhau trong quá trình thực tập chuyên ngành.

II. Phân tích cấu tạo và nguyên lý hoạt động của CVT

Hộp số CVT vận hành dựa trên nguyên lý thay đổi bán kính làm việc của hai pulley thông qua áp lực dầu thủy lực được điều tiết bởi bộ điều khiển TCM. Pulley sơ cấp nhận mô-men từ biến mô, trong khi pulley thứ cấp truyền mô-men ra trục ra hộp số. Đai xích kim loại nối hai pulley và thay đổi vị trí tiếp xúc khi bán kính pulley thay đổi, từ đó điều chỉnh tỉ số truyền một cách vô cấp. Biến mô thủy lực đóng vai trò cầu nối giữa động cơ và hộp số, gồm ba thành phần chính: cánh bơm, rotor tuabin và stato. Cánh bơm quay cùng trục khuỷu động cơ, tạo ra dòng dầu đập vào cánh tuabin để truyền mô-men. Stato có nhiệm vụ khuếch đại mô-men trong giai đoạn xe khởi hành bằng cách hướng dòng dầu hồi về cánh bơm theo chiều thuận lợi. Ở tốc độ cao, cụm ly hợp khóa cứng cánh bơm và tuabin, truyền công suất trực tiếp từ động cơ đến hộp số, nâng cao hiệu suất nhiên liệu.

2.1. Cơ chế hoạt động của biến mô thủy lực

Biến mô thủy lực hoạt động theo nguyên lý truyền động bằng chất lỏng. Khi tốc độ động cơ tăng, lực ly tâm đẩy dầu từ tâm cánh bơm ra ngoài, tạo thành dòng chảy đập vào cánh tuabin. Stato với cơ cấu khớp một chiều sẽ hướng dòng dầu hồi về đúng chiều, giúp khuếch đại mô-men đầu ra lên đến 2-3 lần so với mô-men đầu vào. Khi tốc độ xe đạt ngưỡng nhất định, cụm ly hợp khóa sẽ kết nối trực tiếp cánh bơm và tuabin, loại bỏ tổn thất trượt và cải thiện hiệu suất truyền động.

2.2. Điều khiển tỉ số truyền qua hệ thống pulley

Hệ thống TCM liên tục nhận tín hiệu từ cảm biến tốc độ xe và vị trí bàn đạp ga để tính toán tỉ số truyền phù hợp. Ba chế độ điều khiển chính gồm: giữ tỉ số truyền (cả hai van solenoid không kích hoạt), giảm tỉ số truyền (cấp dầu cho pulley sơ cấp, xả dầu pulley thứ cấp) và tăng tỉ số truyền (cấp dầu cho pulley thứ cấp, xả dầu pulley sơ cấp). Sự phối hợp chính xác giữa hai van điện từ áp suất đảm bảo đai xích luôn căng đều và tỉ số truyền thay đổi trơn tru theo nhu cầu vận hành thực tế.

III. Phương pháp thi công và chuyển đổi điều khiển khí nén

Quy trình thi công mô hình cắt hộp số CVT tại HCMUTE được thực hiện theo từng bước chuyên nghiệp, đảm bảo tính thẩm mỹ và an toàn cho người sử dụng. Bước đầu tiên là lên kế hoạch cắt mở vỏ hộp số, xác định các vị trí cần thiết để lộ ra các cụm chi tiết quan trọng như biến mô, pulley sơ cấp, pulley thứ cấp và bánh răng vi sai. Sau đó, nhóm sinh viên thực hiện cắt bằng thiết bị chuyên dụng, mài phẳng và xử lý bề mặt kim loại để tránh nguy cơ gây thương tích. Điểm đặc biệt của đồ án là việc chuyển đổi hệ thống điều khiển từ thủy lực sang khí nén. Hệ thống thủy lực nguyên bản phức tạp, khó quan sát và cần nguồn dầu áp suất cao. Hệ thống khí nén thay thế đơn giản hơn, an toàn hơn và dễ vận hành trong môi trường phòng thực hành. Toàn bộ mô hình sau khi hoàn thiện được sơn màu, gắn nhãn các bộ phận bằng tiếng Việt để phục vụ công tác giảng dạy một cách hiệu quả nhất.

3.1. Quy trình cắt và xử lý vỏ hộp số

Quá trình cắt vỏ hộp số đòi hỏi sự chính xác cao để không làm hỏng các chi tiết bên trong. Nhóm thực hiện đánh dấu đường cắt theo bản vẽ thiết kế, sử dụng máy cắt kim loại chuyên dụng để tạo các mặt phẳng quan sát tối ưu. Các cạnh cắt được mài nhẵn và xử lý an toàn. Bề mặt hộp số sau đó được làm sạch, chà nhám, sơn lót và sơn hoàn thiện theo màu sắc phân biệt từng cụm chi tiết. Lớp sơn trong suốt ở một số vị trí cho phép quan sát mà không cần mở hộp số hoàn toàn, đảm bảo độ bền lâu dài của mô hình.

3.2. Chuyển đổi điều khiển từ thủy lực sang khí nén

Hệ thống điều khiển thủy lực nguyên bản hoạt động ở áp suất dầu từ 5-10 bar, không phù hợp cho môi trường phòng thực hành thiếu nguồn thủy lực. Nhóm sinh viên thiết kế lại mạch điều khiển bằng khí nén với áp suất thấp hơn, an toàn hơn. Các van điện từ khí nén được lắp đặt thay thế cho van thủy lực, kết nối với bảng điều khiển trung tâm. Người dùng có thể điều chỉnh áp suất và quan sát trực tiếp sự thay đổi tỉ số truyền của hai pulley thông qua mặt cắt đã được xử lý minh bạch. Đây là giải pháp sáng tạo, thiết thực cho môi trường đào tạo.

IV. Kết quả ứng dụng mô hình trong đào tạo kỹ thuật ô tô

Mô hình cắt hộp số CVT JF017E sau khi hoàn thiện đã được bàn giao cho Khoa Cơ khí Động lực, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, phục vụ trực tiếp công tác giảng dạy và thực hành. Mô hình cho phép sinh viên quan sát toàn bộ cấu trúc nội tại của hộp số CVT mà không cần tháo rời từng chi tiết, tiết kiệm thời gian và giảm nguy cơ hư hỏng thiết bị. Hệ thống điều khiển khí nén được tích hợp giúp người học thao tác thực tế, quan sát hoạt động của pulley và đai xích trong điều kiện có tải mô phỏng. Kết quả nghiên cứu của đồ án không chỉ dừng lại ở sản phẩm vật lý. Quá trình thực hiện giúp nhóm sinh viên hiểu sâu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và phương pháp chẩn đoán hư hỏng hộp số CVT. Đây là nền tảng quan trọng cho sự nghiệp kỹ thuật ô tô sau này. Mô hình cũng mở ra hướng nghiên cứu tiếp theo cho các khóa sinh viên về nâng cấp hệ thống điều khiển điện tử tích hợp.

4.1. Hiệu quả thực tiễn trong giảng dạy tại HCMUTE

Mô hình cắt CVT được tích hợp vào chương trình thực hành môn Hộp số tự động tại Khoa Cơ khí Động lực. Sinh viên có thể trực tiếp quan sát và thao tác với các bộ phận như biến mô, pulley, đai xích và hệ thống van điều khiển. Phương pháp học tập trực quan này rút ngắn thời gian tiếp thu lý thuyết từ 30-40%, đồng thời tăng khả năng nhận biết và chẩn đoán hư hỏng thực tế. Đây là bước tiến quan trọng trong việc hiện đại hóa cơ sở vật chất phòng thực hành tại trường, đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của ngành công nghiệp ô tô Việt Nam.

4.2. Định hướng phát triển và nghiên cứu tiếp theo

Đồ án mở ra nhiều hướng phát triển tiềm năng cho các nghiên cứu tiếp theo. Các khóa sinh viên tương lai có thể tích hợp cảm biến điện tử để đo và hiển thị tỉ số truyền theo thời gian thực. Việc kết nối mô hình với phần mềm mô phỏng số sẽ tạo ra môi trường học tập kết hợp vật lý và số hóa hiện đại. Ngoài ra, phương pháp thi công mô hình cắt tương tự có thể áp dụng cho các loại hộp số khác như AT, DCT hay CVT thế hệ mới. Đây là cơ sở để xây dựng bộ sưu tập mô hình học tập hoàn chỉnh cho Khoa Cơ khí Động lực trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Lý do chọn đề tài Các phương tiện giao thông vận tải là một phần không thể thiếu trong cuộc sống của con người hiện đại. Cùng với sự phát triển của kỹ thuật và công nghệ, các bộ phận trên ô tô liên tục được nghiên cứu để cải tiến hướng tới tự động hóa. Hộp số dùng trong truyền động cũng không nằm ngoài xu hướng này, có thể kể đến như hộp số tự động thông thường (Automatic Transmission) và hộp số tự động vô cấp (Continuously Variable Transmission).

Vì các dòng xe sử dụng hộp số vô cấp còn ít phổ biến ở thị trường Việt Nam nên việc bổ sung kiến thức về cấu tạo và nguyên lý của hộp số vô cấp trong quá trình thực hành của sinh viên là cần thiết. Qua đó, chúng em quyết định chọn đề tài tốt nghiệp là “THI CÔNG MÔ HÌNH CẮT HỘP SỐ TỰ ĐỘNG CVT” với mong muốn củng cố kiến thức đã học và tạo ra phương tiện hỗ trợ cho việc nghiên cứu của sinh viên trong quá trình thực hành tại xưởng. Mục đích nghiên cứu 1. Mục đích - Củng cố kiến thức đã học, có kỹ năng thực hành nhằm định hướng nghề nghiệp trong tương lai.

- Tạo công cụ phục vụ cho việc học tập và nghiên cứu của sinh viên. - Hiểu rõ về cấu tạo, nguyên lý hoạt động của hộp số vô cấp JF017E. - Góp phần cải tiến phương tiện và phương pháp giảng dạy thực hành trong quá trình đào tạo. Đối tượng Nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý hoạt động và điều khiển của hộp số vô cấp JF017E.

Thiết kế, thi công mô hình hộp số vô cấp JF017E. Phương pháp nghiên cứu Dùng nhiều phương pháp nghiên cứu. Có thể kể đến như phương pháp tham khảo tài liệu, thu thập và tìm kiếm các thông tin liên quan đến hộp số vô cấp. Học hỏi kinh nghiệm của các thầy, nghiên cứu các mô hình cũ về cách chế tạo một mô hình dạy học.

1 Cùng với đó là phương pháp quan sát và thực nghiệm để có thể chế tạo mô hình và biên soạn tài liệu hướng dẫn một cách dễ hiểu nhất. Phạm vi nghiên cứu Việc thiết kế, thi công, sưu tầm tài liệu thích hợp, thu thập thông tin, soạn thuyết minh, kiểm tra đòi hỏi phải có rất nhiều thời gian, kinh phí cũng như kiến thức. Do đó, đề tài chỉ tập trung giải quyết một số vấn đề sau: - Thiết kế, thi công mô hình. - Biên soạn tài liệu thuyết minh trên mô hình.

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỘP SỐ VÔ CẤP TRÊN Ô TÔ CVT là từ viết tắt của Continuously Variable Transmission, tức hộp số biến thiên vô cấp. Hộp số này sử dụng hệ thống đai và pulley để cung cấp vô hạn số lượng tỉ số truyền, giúp việc tăng tốc và giảm tốc trở nên mượt mà và cải thiện hiệu suất. Ý tưởng về hộp số biến thiên vô cấp xuất hiện từ rất sớm, với bằng sáng chế đầu tiên của Daimler và Benz được cấp vào năm 1886. Trước đó, Leonardo Da Vinci đã có bản vẽ về một hệ bánh răng có thể thay đổi tỉ số truyền, được xem là bản thiết kế đầu tiên của CVT.

Bản phát thảo hệ bánh răng có thể thay đổi tỷ số truyền của Leonardo Da Vinci CVT bắt đầu được sử dụng rộng rãi kể từ những năm 1930 trong công nghiệp. Tuy vậy, loại hộp số này chỉ mới được phổ biến trên các dòng xe khoảng thời gian gần đây. Cấu tạo JF017E là hộp số vô cấp được sản xuất bởi Jatco. JF017E có 2 thiết kế cho xe FWD và 4WD, được sử dụng trên nhiều dòng xe, có thể kể đến như Nissan Altima, Maxima, Murano, Rouge và Pathfinder.

Hộp số CVT JF017E Hình 2. Mặt cắt hộp số JF017E 4 1. Vỏ biến mô 12. Bánh răng cuối 2.

Bánh răng giảm tốc 3. Bộ bánh răng hành tinh 14. Bánh răng cân bằng 4. Van điều khiển 15.

Bánh răng đầu ra 5. Đĩa răng xích chủ động 6. Bộ biến mô 7. Đĩa răng xích bị động 8.

Pulley thứ cấp 19. Vỏ mặt bên A. Trên các dòng xe 2WD 10. Vỏ hộp số B.

Trên các dòng xe 4WD 11. Vỏ bộ vi sai Hình 2. Sơ đồ cơ chế truyền động của hộp số vô cấp JF017E 5 2. Bộ biến mô Nhiệm vụ: Đóng/ngắt dòng truyền mô-men từ động cơ đến hộp số.

- Tăng mô-men từ động cơ vào hộp số. - Hấp thụ các dao động xoắn của động cơ và hệ thống truyền lực. - Thay thế chức năng của bánh đà. Cấu tạo bộ biến mô - Cánh bơm Vỏ biến mô kết nối với trục khuỷu động cơ, được gắn các cánh bơm.

Cánh bơm là các cánh quạt có góc cạnh và cong được lắp theo hướng kính ở trong. Các cánh bơm chứa dầu hộp số và quay cùng tốc độ với động cơ. Khi quay, dầu di chuyển ra phía ngoài do lực ly tâm. - Rotor tuabin Cũng như cánh bơm, rất nhiều cánh quạt được lắp trong bánh tuabin.

Hướng cong của các bánh này ngược chiều với các cánh trên cánh bơm. Tuabin được lắp trên trục sơ cấp hộp số sao cho các cánh đối diện với các cánh bơm, giữa chúng có một khe hở rất nhỏ. 6 - Stator Được lắp giữa cánh bơm và rotor tuabin và hướng cho nó đập vào sau của cánh quạt trên cánh bơm. Khớp một chiều chỉ cho phép stato quay cùng chiều với trục khuỷu động cơ.

Do vậy, stato quay hay bị khóa phụ thuộc vào hướng dòng dầu đập vào các cánh quạt. - Cụm ly hợp Khi xe chuyển động với tốc độ cao, cụm ly hợp sẽ kết nối rotor tuabin với cánh bơm từ đó truyền công suất trực tiếp từ động cơ đến hộp số nhằm nâng cao hiệu quả công suất và tiết kiệm nhiên liệu. Nguyên lý truyền công suất Hình 2. Đường dầu trong biến mô Khi tốc độ của cánh bơm tăng, lực ly tâm làm cho dầu bắt đầu chảy ra phía ngoài tâm của cánh bơm dọc theo bề mặt của cánh quạt và bề mặt trong của cánh bơm.

Khi tốc độ của cánh bơm tăng lên nữa, dầu sẽ bị đẩy ra khỏi cánh bơm. Dầu sẽ đập vào các cánh quạt của rotor tuabin làm cho rotor bắt đầu quay cùng một hướng với cánh bơm. Sau khi dầu mất năng lượng do va đập vào các cánh quạt của rotor tuabin. Nó chảy vào trong dọc theo các cánh của rotor tuabin.

Khi nó chạy vào phần trong của rotor, bề mặt cong bên trong của rotor sẽ hướng dòng dầu chảy ngược trở lại cánh bơm và dòng truyền công suất được lặp lại. 7 Cơ chế khuếch đại mô-men Hình 2. Nguyên lý khuếch đại mô-men của biến mô Việc khuếch đại mô-men bằng biến mô được thực hiện bằng cách hồi dòng dầu đến cánh bơm, sau khi nó đi qua rotor tuabin như mô tả ở trên, nhờ sử dụng các cánh quạt của một stato. Nói theo cách khác, cánh bơm được quay bởi mô-men từ động cơ và một phần mô- men của dòng dầu thủy lực chảy hồi về từ rotor tuabin, từ đó khuếch đại mô-men ban đầu.

Hoạt động của biến mô - Xe đang đỗ động cơ chạy không tải Khi động cơ đang chạy không tải, mô-men do chính động cơ tạo ra là nhỏ nhất. Nếu đạp phanh (phanh tay hay phanh chân), tải trọng tác dụng lên bánh tuabin lớn do nó không thể quay. Mặc dù vậy, do xe đang đỗ nên tỉ số truyền tốc độ của bánh tuabin và cánh bơm là bằng không trong khi tỉ số truyền mô-men là lớn nhất. Do vậy, bánh tuabin luôn sẵn sàng quay với mô-men cao hơn so với mô-men do động cơ tạo ra.

Hoạt động của biến mô khi xe đang đỗ - Khi xe khởi hành Khi phanh được nhả ra, rotor tuabin có thể quay cùng với trục sơ cấp hộp số. Do vậy khi đạp chân ga sẽ làm cho bánh tuabin quay với mô-men lớn hơn so với mô-men do động cơ tạo ra làm cho xe bắt đầu chuyển động. - Xe chạy với tốc độ thấp Hình 2. Hoạt động của biến mô khi xe chạy 9 Khi tốc độ của xe tăng lên, tốc độ quay của bánh tuabin nhanh chóng bằng với cánh bơm.

Tỉ số truyền mô-men do đó nhanh chóng đạt đến giá trị 1:1. Khi tỉ số truyền tốc độ của bánh tuabin so với tốc độ cánh bơm đạt đến một giá trị xác định (điểm ly hợp), stato bắt đầu quay và sự khuếch đại mô-men giảm xuống. Nói theo một cách khác, biến mô bắt đầu hoạt động như một khớp thủy lực. Do vậy, tốc độ của xe tăng hầu như tỉ lệ thuận với tốc độ động cơ.

- Xe chạy với tốc độ từ trung bình đến cao Ở tốc độ trung bình, bộ biến mô chỉ như một khớp thủy lực. Rotor tuabin quay với tốc độ gần bằng tốc độ của cánh bơm. Ở tốc độ cao, bộ biến mô đóng vai trò như một khớp nối cơ khí. Bộ truyền bánh răng hành tinh Hình 2.

Bộ truyền bánh răng hành tinh và vô cấp 10 Hiện nay trên trên thị trường có nhiều loại hộp số vô cấp khác nhau do từng hãng sản xuất, có những công nghệ và cấu tạo khác nhau đặc trưng riêng cho từng hãng xe nhưng nhìn chung về cấu tạo của bộ truyền hành tinh và vô cấp lại tương đối giống nhau. Bộ truyền bánh răng hành tinh trên hộp số vô cấp Bộ truyền bánh răng hành tinh được lắp đặt trên các xe sử dụng hộp số vô cấp CVT có tác dụng khuyếch đại mô-men và đảo chiều chuyển động của xe. Để xe có thể di chuyển tiến hoặc lùi được như các loại hộp số thông thường thì bộ truyền hành tinh sẽ được bố trí trên trục đầu vào của hộp số. Trục vào từ biến mô được nối cứng với bánh răng bao và pulley sơ cấp được nối cứng với bánh răng mặt trời.

Cấu tạo của một bộ truyền hành tinh gồm: một cụm cơ cấu bánh răng hành tinh, ly hợp số tiến và phanh số lùi. Ly hợp số tiến Trong vỏ của bộ ly hợp số tiến gồm nhiều lá thép mỏng và các đĩa ma sát ghép lại với nhau. Khi hoạt động, ly hợp số tiến sẽ kết nối bánh răng bao của bộ bánh răng hành tinh với bánh răng mặt trời thành một khối. 11 Bộ phanh số lùi Hoạt động tương tự như bộ ly hợp số tiến, phanh số lùi gồm các tấm ma sát cùng với những lá thép mỏng xen kẽ nhau giữa cần dẫn và vỏ hộp số, khi bộ li hợp số lùi hoạt động, nó sẽ khóa cần dẫn cố định.

Hoạt động của bộ bánh răng hành tinh của hộp số JF017E Khi bộ ly hợp số tiến và bộ phanh số lùi không hoạt động thì chỉ có bánh răng bao quay trơn. Công suất động cơ không truyền đến pulley sơ cấp của hộp số.