ĐIỀU KHIỂN HỘP SỐ TỰ ĐỘNG TRÊN Ô TÔ

1.1 Nhiệm vụ và yêu cầu

1.1.1 Nhiệm vụ

Hộp số tự động (Automatic Transmission – AT) là một bộ phận quan trọng trong hệ thống truyền lực của ô tô, đảm bảo các nhiệm vụ sau:

a-Thay đổi tỷ số truyền: Điều chỉnh tỷ số truyền để phù hợp với lực cản chuyển động, đảm bảo động cơ hoạt động trong dải công suất tối ưu.

b-Tạo chuyển động lùi: Cho phép xe di chuyển lùi khi cần thiết.

c-Tách truyền lực: Ngắt kết nối giữa động cơ và bánh xe khi xe dừng, giúp động cơ không bị tắt máy.

1.1.2 Yêu cầu kỹ thuật:

-Hoạt động êm ái, giảm rung động và tiếng ồn.

-Hiệu suất truyền lực cao, tiết kiệm nhiên liệu.

-Kết cấu gọn nhẹ, dễ sản xuất và bảo dưỡng.

-Độ bền cao, chịu được tải trọng lớn trong điều kiện vận hành khắc nghiệt.

1.2. Phân loại

Hộp số tự động được phân loại dựa trên cấu trúc và cách lắp đặt:

1.2.1 Hộp số hành tinh lắp với truyền động các đăng: Thường dùng trên ô tô dẫn động cầu sau (FR) hoặc dẫn động 4 bánh (4WD).

1.2.2 Hộp số hành tinh lắp với bộ vi sai: Phổ biến trên ô tô dẫn động cầu trước (FF), tích hợp hộp số và bộ vi sai trong một khối.

1.2.3 Các loại khác: Hộp số vô cấp (CVT), hộp số ly hợp kép (DCT), hoặc hộp số tự động hóa (AMT).

1.3. Lịch sử phát triển và ứng dụng

1.3.1 Lịch sử: Hộp số tự động được phát triển từ những năm 1930 bởi General Motors (Hydra-Matic). Qua thời gian, công nghệ điều khiển điện tử và tích hợp cảm biến đã cải tiến đáng kể hiệu suất và độ tin cậy.

1.3.2 Ứng dụng: Hộp số tự động hiện chiếm tỷ lệ lớn trên các dòng xe du lịch, xe tải nhẹ và xe sang nhờ tính tiện lợi, khả năng vận hành mượt mà và tích hợp với các hệ thống hỗ trợ lái xe (ADAS).

1.3.3 Xu hướng hiện đại:

-Tăng số cấp (8, 9, 10 cấp) để tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu.

-Kết hợp với công nghệ hybrid hoặc điện tử hóa hoàn toàn (xe điện).

2.1 Bộ biến mô thủy lực (Torque Converter)

2.1.1 Cấu tạo:

a-Bơm (Pump): Kết nối với trục khuỷu động cơ, quay cùng tốc độ động cơ.

b-Tua-bin (Turbine): Kết nối với trục đầu vào của hộp số, nhận mô-men từ bánh bơm.

c-Stato (Stator): Đặt giữa bánh bơm và tua-bin, có ly hợp một chiều để tăng hiệu suất truyền mô-men.

d-Dầu thủy lực: Là môi trường truyền lực.

2.1.2 Nguyên lý:

Bơm quay tạo dòng dầu thủy lực tác động lên tua-bin, truyền mô-men xoắn.

Stato điều chỉnh hướng dòng dầu, tăng mô-men khi tốc độ chênh lệch giữa bánh bơm và tua-bin lớn.

Khi tốc độ động cơ và tua-bin gần bằng nhau, ly hợp khóa (lock-up clutch), kích hoạt để truyền lực trực tiếp, giảm tổn hao năng lượng.

2.2 Hộp số hành tinh (Planetary Gearset)

2.2.1 Cấu tạo:

a-Bánh răng mặt trời (Sun Gear): Ở trung tâm, kết nối với trục đầu vào hoặc đầu ra.

b-Bánh răng hành tinh (Planet Gears): Quay quanh bánh mặt trời, gắn trên giá đỡ (carrier).

c- Bánh răng bao (Ring Gear): Bao quanh bánh hành tinh, có thể cố định hoặc quay.

d-Ly hợp và phanh dải: Khóa hoặc thả các thành phần để thay đổi tỷ số truyền.

2.2.2 Nguyên lý:

Tỷ số truyền được thay đổi bằng cách khóa hoặc nhả một trong các thành phần (mặt trời, hành tinh, vành đai) thông qua ly hợp và phanh dải.

Ví dụ:

-Số 1: Vành đai cố định, bánh mặt trời quay, giá đỡ hành tinh quay chậm.

-Số lùi: Bánh mặt trời cố định, giá đỡ quay ngược chiều.

2.3 Hệ thống điều khiển

Hệ thống điều khiển quyết định thời điểm chuyển số và đảm bảo hoạt động mượt mà.

2.3.1 Điều khiển thủy lực:

a-Bơm dầu: Tạo áp suất dầu để vận hành ly hợp và phanh dải.

b-Van điều khiển (Valve Body): Phân phối dầu đến các bộ phận dựa trên tín hiệu từ cần số và tốc độ xe.

c-Điều khiển điện tử:

-ECU (Electronic Control Unit): Bộ xử lý trung tâm, nhận tín hiệu từ cảm biến và ra lệnh mở các van điện.

-Cảm biến: Tốc độ động cơ, tốc độ xe, vị trí bướm ga, nhiệt độ dầu, v.v.

3.1 Quy trình tháo lắp

3.1.1 Quy trình tháo:

a-Ngắt kết nối ắc quy và tháo các bộ phận liên quan (ống xả, thanh giằng).

b-Tháo bộ biến mô: Dùng cờ lê chuyên dụng để tháo các bu-lông kết nối với bánh đà.

c-Tháo hộp số: Ngắt các kết nối điện, ống dầu và tháo hộp số ra khỏi khung xe.

d-Tháo các chi tiết bên trong: Ly hợp, bánh răng, phanh dải.

3.1.2 Quy trình lắp:

a-Lắp ngược lại, đảm bảo các chi tiết được căn chỉnh chính xác.

b-Kiểm tra khe hở và siết lực đúng tiêu chuẩn (theo thông số kỹ thuật nhà sản xuất).

c-Kết nối lại hệ thống điện và dầu.

3.1.3 Lưu ý an toàn:

-Sử dụng giá nâng chuyên dụng để tránh tai nạn.

-Đảm bảo môi trường làm việc sạch sẽ để tránh bụi bẩn xâm nhập vào hộp số.

3.2 Kiểm tra chi tiết

3.2.1 Kiểm tra bánh răng: Dùng pan-me và thước cặp đo độ mòn, khe hở giữa các răng.

3.2.2 Kiểm tra ly hợp và phanh dải: Xem xét tình trạng ma sát, độ mòn của đĩa ma sát.

3.2.3 Kiểm tra dầu: Đánh giá màu sắc, độ nhớt và tạp chất trong dầu.

3.2.4 Kiểm tra rò rỉ: Kiểm tra các gioăng, phớt dầu.

4.1 Bảo dưỡng định kỳ

4.1.1 Thay dầu: Thay dầu ATF (Automatic Transmission Fluid) sau mỗi 40.000–60.000 km hoặc theo khuyến cáo nhà sản xuất.

4.1.2 Kiểm tra rò rỉ: Xem xét các mối nối, phớt dầu và thân hộp số.

4.1.3 Hiệu chỉnh cáp bướm ga: Đảm bảo cáp không bị lỏng hoặc căng quá mức, ảnh hưởng đến thời điểm chuyển số.

4.2 Sửa chữa hư hỏng thường gặp

4.2.1 Trượt số:

-Hiện tượng: Xe không tăng tốc dù tăng vòng tua máy.

-Nguyên nhân: Ly hợp mòn, áp suất dầu thấp, van điều khiển hỏng.

-Khắc phục: Thay đĩa ly hợp, kiểm tra bơm dầu, vệ sinh hoặc thay van điều khiển.

4.2.2 Ồn hoặc rung giật:

-Nguyên nhân: Bánh răng mòn, bộ biến mô hỏng, dầu bẩn.

-Khắc phục: Kiểm tra và thay bánh răng, sửa chữa bộ biến mô, thay dầu mới.

4.2.3 Không chuyển số:

-Nguyên nhân: Lỗi cảm biến, ECU hỏng, hoặc van điện kẹt.

-Khắc phục: Chẩn đoán bằng máy scan, thay cảm biến hoặc sửa ECU.

5.1 Cảm biến và cơ cấu chấp hành

5.1.1 Cảm biến:

a-Cảm biến tốc độ (VSS): Đo tốc độ xe và tốc độ trục đầu vào/đầu ra.

b-Cảm biến nhiệt độ dầu (ATF Temperature Sensor): Đảm bảo dầu hoạt động trong dải nhiệt độ an toàn.

c-Cảm biến vị trí cần số (PRNDL Sensor): Xác định vị trí cần số (P, R, N, D).

d-Cảm biến vị trí bướm ga (TPS): Theo dõi góc mở bướm ga để điều chỉnh thời điểm chuyển số.

5.1.2 Cơ cấu chấp hành:

a-Van điện (Solenoid Valves): Điều khiển dòng dầu đến ly hợp và phanh dải.

b-Ly hợp khóa (Lock-up Clutch): Kích hoạt để truyền lực trực tiếp trong bộ biến mô.

5.2 Chẩn đoán lỗi

5.2.1 Đọc mã lỗi: Sử dụng máy chẩn đoán OBD-II để đọc mã lỗi (DTC – Diagnostic Trouble Codes). Ví dụ:

-P0700: Lỗi hệ thống điều khiển hộp số.

-P0730: Tỷ số truyền không đúng.

5.2.2 Kiểm tra tín hiệu cảm biến: Dùng đồng hồ vạn năng để đo điện áp, trở kháng của cảm biến.

5.2.3 Kiểm tra cơ học: Xác minh áp suất dầu, tình trạng van điện và ly hợp.

6.1 Thuật toán điều khiển hộp số tự động

Thuật toán điều khiển hộp số tự động dựa trên các tín hiệu đầu vào từ cảm biến và logic xử lý của ECU. Dưới đây là thuật toán cơ bản:

6.1.1 Thuật toán điều khiển chuyển số:

a-Thu thập dữ liệu:

Đọc tín hiệu từ cảm biến tốc độ xe (VSS), tốc độ động cơ (RPM), vị trí bướm ga (TPS), nhiệt độ dầu (ATF), và vị trí cần số (PRNDL).

b-Xử lý dữ liệu:

So sánh tốc độ xe và tốc độ động cơ với bản đồ chuyển số (shift map) được lập trình sẵn trong ECU.

Xác định điều kiện chuyển số dựa trên tải động cơ (từ TPS) và nhiệt độ dầu.

c-Ra quyết định:

Nếu tốc độ xe và động cơ nằm trong vùng chuyển số (ví dụ: từ số 1 lên số 2), ECU gửi tín hiệu đến van điện để kích hoạt ly hợp/phanh dải phù hợp.

Nếu nhiệt độ dầu vượt quá giới hạn (ví dụ: >120°C), ECU kích hoạt chế độ bảo vệ, giới hạn chuyển số.

d-Thực thi:

Van điện điều chỉnh áp suất dầu để khóa/mở các thành phần hộp số hành tinh.

Kiểm tra phản hồi từ cảm biến để đảm bảo chuyển số thành công.

e-Lặp lại: Liên tục cập nhật dữ liệu và điều chỉnh theo thời gian thực.

6.3 Ứng dụng thực tế

6.3.1 Bản đồ chuyển số: Được lập trình sẵn dựa trên thử nghiệm thực tế, tối ưu hóa theo loại xe và điều kiện vận hành.

6.3.2 Chế độ lái: Một số xe có các chế độ (Eco, Sport, Manual) thay đổi logic chuyển số, ví dụ:

-Chế độ Eco: Chuyển số sớm để tiết kiệm nhiên liệu.

-Chế độ Sport: Giữ số thấp hơn để tăng tốc độ.

6.3.3 Chẩn đoán và điều chỉnh:

ECU lưu trữ dữ liệu vận hành, hỗ trợ kỹ thuật viên chẩn đoán lỗi và tinh chỉnh thuật toán.

Phụ thuộc vào các yếu tố như tốc độ xe (km/h), vị trí bướm ga (%) và vòng tua động cơ (RPM). Hộp số tự động của Toyota Camry (U340E hoặc A140E) thường là hộp số 4 cấp được sử dụng trên các dòng Camry đời cũ.

Bảng tra cứu chuyển số tổng quát được xây dựng dựa trên các đặc điểm điển hình của hộp số tự động 4 cấp và phù hợp với mục đích đào tạo.

7.1 Đầu vào:

7.1.1 Tốc độ xe (km/h): Yếu tố chính để xác định điểm chuyển số.

7.1.2 Vị trí bướm ga (%): Phản ánh mức độ tăng tốc của người lái (nhẹ, vừa, mạnh).

7.1.3 Tốc độ động cơ (RPM): Đảm bảo chuyển số trong dải an toàn của động cơ.

-Chuyển số lên (upshift) và chuyển số xuống (downshift) có độ trễ (hysteresis) để tránh chuyển số liên tục.

-Dữ liệu tập trung vào điều kiện lái xe thông thường, không tính đến các chế độ đặc biệt như Sport hoặc tải nặng.

7.2 Bảng chuyển số lên (Upshift Table)

Tốc độ xe (km/h) Vị trí bướm ga (%) Chuyển số Dải vòng tua động cơ (xấp xỉ)

0–15 0–30 1 → 2 1800–2800

15–35 0–30 2 → 3 1700–2600

35–60 0–30 3 → 4 1600–2500

0–20 30–60 1 → 2 2200–3200

20–45 30–60 2 → 3 2000–3000

45–75 30–60 3 → 4 1900–2800

0–25 60–100 1 → 2 2500–3500

25–55 60–100 2 → 3 2300–3400

55–90 60–100 3 → 4 2200–3200

7.3 Bảng chuyển số xuống (Downshift Table)

Tốc độ xe (km/h) Vị trí bướm ga (%) Chuyển số Dải vòng tua động cơ (xấp xỉ)

12–0 0–30 2 → 1 1000–2000

30–10 0–30 3 → 2 1200–2200

55–30 0–30 4 → 3 1300–2300

15–5 30–60 2 → 1 1400–2400

40–20 30–60 3 → 2 1500–2600

70–45 30–60 4 → 3 1600–2700

20–10 60–100 2 → 1 1800–2800

50–25 60–100 3 → 2 2000–3000

85–50 60–100 4 → 3 2100–3100

7.4 Lưu ý về bảng tra

a-Vị trí bướm ga:

-0–30%: Tăng tốc nhẹ, phù hợp với lái xe tiết kiệm nhiên liệu (Eco mode).

-30–60%: Tăng tốc vừa phải, điều kiện lái xe thông thường trong đô thị.

-60–100%: Tăng tốc mạnh, thường khi vượt xe hoặc cần công suất lớn.

b-Độ trễ (Hysteresis): Điểm chuyển số xuống thấp hơn điểm chuyển số lên để tránh hiện tượng chuyển số liên tục (gear hunting).

c-Cụ thể cho Toyota Camry:

-Hộp số 4 cấp (như U340E hoặc A140E) thường được trang bị trên các mẫu Camry đời 1990–2000 (ví dụ: Camry 2.0E hoặc 2.2L).

-Hộp số sử dụng bộ truyền hành tinh với điều khiển điện tử (ECT – Electronically Controlled Transmission) hoặc thủy lực, với cấu hình 4 số tiến và 1 số lùi.

d-Các yếu tố bổ sung

-Nhiệt độ dầu ATF: Nếu nhiệt độ vượt quá 120°C, ECU có thể hạn chế chuyển số để bảo vệ hộp số.

-Tải động cơ: Leo dốc hoặc chở nặng có thể làm chậm chuyển số lên.

-Chế độ lái: Một số mẫu Camry có nút “PWR” (Power) để giữ số thấp hơn, tăng khả năng tăng tốc.

e-Tỷ số truyền (tham khảo từ U340E):

-Số 1: ~3.94

-Số 2: ~2.19

-Số 3: ~1.41

-Số 4: ~1.02

-Số lùi: ~3.14

Các tỷ số này ảnh hưởng đến tốc độ và RPM tại các điểm chuyển số.

7.5 Ứng dụng trong ECU của Toyota Camry

ECU hộp số tự động 4 cấp trên Toyota Camry hoạt động như sau:

a-Thu thập dữ liệu: Đọc tín hiệu từ cảm biến tốc độ xe (VSS), cảm biến vị trí bướm ga (TPS), cảm biến vòng tua động cơ (RPM), và cảm biến nhiệt độ dầu (ATF Temperature Sensor).

b-Xử lý: So sánh dữ liệu với bảng tra cứu chuyển số được lập trình sẵn trong ECU.

c-Ra lệnh: Kích hoạt van điện (solenoid valves) để điều khiển ly hợp và phanh dải trong hộp số hành tinh, thực hiện chuyển số.

d-Ví dụ: Tại tốc độ 30 km/h với bướm ga 40%, ECU có thể ra lệnh chuyển từ số 2 sang số 3 nếu RPM khoảng 2500–3000.

7.6 Hạn chế

-Bảng trên là tổng quát, dựa trên đặc điểm chung của hộp số 4 cấp Toyota Camry (như U340E hoặc A140E). Bảng chính xác cần dữ liệu từ tài liệu kỹ thuật của Toyota, thường có trong sách hướng dẫn sửa chữa (service manual) hoặc phần mềm chẩn đoán.

-Các yếu tố như đời xe (ví dụ: Camry 1997 hay 2002), loại động cơ (2.0L hay 2.4L), và điều kiện vận hành (đô thị, cao tốc) có thể thay đổi điểm chuyển số.