Biến mô thuỷ lực và các ứng dụng đi kèm!
Một trong những thách thức đặt ra cho các kỹ sư thiết kế trong ngành công nghiệp ô tô là phát triển một khớp nối truyền động, làm sao cho việc truyền công suất hay mô men xoắn của động cơ đến bánh xe một cách êm dịu, đảm bảo cho việc chuyển số được thực hiện một cách êm dịu và không có sự thất thoát công suất, đồng thời có thể hấp thụ những xung lực tác động lên hệ thống truyền lực nhằm nâng cao tuổi thọ. Hơn nữa khớp nối cũng phải đảm bảo việc truyền lực/mômen đến bánh xe thay đổi một cách liên tục, và sự thay đổi này có thể được kiểm soát bởi người điều khiển, điều này cho phép dễ dàng điều khiển xe hơn và cơ động hơn khi chạy ở mọi tốc độ, cải thiện tính kinh tế nhiên liệu. Sau thời gian nghiên cứu các nhà thiết kế đã cho ra đời loại khớp nối thuỷ lực và đựơc chế tạo ngày càng chuyên dụng để đáp ứng đ*ược các yêu cầu trên.
Khớp nối thủy lựcđơn giản
Nguyên lý Hoạt động của khớp nối thuỷ lực có thể so sánh với việc hoạt động của hai quạt điện đặt đối diện với nhau như trên hình, Nếu như, một quạt điện được cắm vào nguồn điện và chạy, thì luồng gió tạo nên sẽ làm cho quạt đặt đối diện cũng chạy theo mà không cần phải cắm vào nguồn điện.
Với khớp nối thuỷ lực thì vai trò của luồng khí được thực hiện bởi dòng dầu thuỷ lực. Dầu thuỷ lực nặng hơn không khí nên năng lượng truyền của thuỷ lực sẽ lớn hơn. Một khớp nối thuỷ lực đơn giản cấu tạo có hai cánh. Một bánh được nối với động cơ gọi là bánh bơm(BB). Một bánh được nối với trục đầu vào của hộp số gọi là bánh turbin(BTB). Khi động cơ làm việc. Bánh bơm sẽ quay với tốc độ động cơ. Dòng dầu được đẩy về phía Bánh turbin và làm cho bánh turbin quay, dẫn đến trục đầu vào hộp số quay. Như vậy ở đây năng lượng cơ khí tạo ra bởi động cơ được chuyển thành năng lượng thuỷ lực. Và năng lượng thuỷ lực lại được chuyển thành năng lượng cơ khí.
Biến mô thủy lực
Biến mô thuỷ lực được phát triển từ khớp nối thuỷ lực. Người ta lắp thêm một chi tiết ở giữa có tên gọi là Bánh dẫn hướng(4)(Stato)(BDH). Cấu tạo của các cánh stato có độ cong sao cho nó dẫn dòng dầu chạy ngược lại về phía Bánh bơm(2) sau khi thoát khỏi bánh turbin(3) theo chiều quay. Năng lượng thuỷ lực của dòng dầu được cộng hưởng. Hay là mô ment xoắn được tăng lên. Hay nói cách khác là lực kéo của xe được tăng lên đáng kể.
Tất cả các xe ô tô dân dụng, thương mại, các xe công trình có hệ thống truyền động sử dụng hộp số thuỷ lực. Mà ta hay quen gọi là hộp số tự động. Thì phần truyền động từ động cơ tới hộp số sẽ là biến mô. Còn các loại ô tô có hệ thống truyền động sử dụng hộp số cơ khí thì phần truyền động từ động cơ qua hộp số là ly hợp, sử dụng nguyên lý lực ma sát để đóng cắt truyền động.
Trong ứng dụng thực tế ta còn gặp một số loại biến mô thuỷ lực được lắp thêm một số các chi tiết khác làm tăng số đặc tính có ích, phụ thuộc vào mục đích của thiết bị. Dưới đây là một số ứng dụng đi kèm của biến mô thuỷ lực:
- Biến mô thuỷ lực có stato khoá một chiều
-Biến mô thuỷ lực có ly hợp khoá biến mô
-Biến mô thuỷ lực có ly hợp đóng mở ở bánh bơm
-Biến mô thuỷ lực có ly hợp làm thay đổi tiết diện của bánh bơm
- Biến mô thuỷ lực kết hợp với bộ bánh răng hành tinh
Biến mô với Ly hợp một chiều
Như chúng ta đã biết, dầu đi vào biến mô được BB đẩy sang làm quay BTB, sau đó dầu từ BTB đi vào BDH, do cấu tạo các cánh của BDH, dầu một lần nữa lại được gửi trở về BB tận dụng dòng động năng của chất lỏng làm tăng mômen xoắn. Như vậy, chúng ta thấy rõ vai trò của BDH là làm tăng mômen xoắn. Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp khi chiếc của ta không cần tăng mômen nữa (VD: xe đang đỗ hoặc khi xe chạy tốc độ cao thì không cần lực kéo khoẻ nữa), như vậy thay vì bánh dẫn hướng được lắp cố định với vỏ của biến mô, người ta lắp nó trên lên trên một chiếc ly hợp một chiều. Ly hợp này cho phép BDH quay tự do theo 1 hướng khi không cần nhân mômen xoắn.
Hoạt động của ly hợp 1 chiều
Ca ngoài(màu đỏ) bắt vào BDH bởi vành răng ngoài. Các con lăn bi tạo kết nối giữa ca ngoài và ca trong khi ly hợp 1 chiều quay ngược chiều kim đồng hồ. Khi tải tăng và cần tăng mômen xoắn, dầu đi vào BDH đập vào cánh của BDH => làm cho ca ngoài quay theo chiều kim đồng hồ, điều này làm cho các con lăn bi di chuyển ép lò xo lại và khóa ca trong và ca ngoài với nhau => BDH bị giữ cố định không quay và thực hiện công việc tăng mômen xoắn theo đúng chức năng của nó. Khi mà tốc độ của BB và BTB tăng (tức tải sẽ giảm, không cần tăng mômen nữa) dầu đi vào đập vào mặt bên kia của cánh BDH=> làm ca ngoài quay ngược lại(ngc chiều kim đồng hồ)=> con lăn bi lăn tự do và ca trong va ca ngoài không được ép vào nhau nữa=> BDH và ca ngoài quay tự do trên ca trong, dầu từ BTB đi vào BDH và đi ra ngoài biến mô chứ không quay trở về BB nữa => không thực hiện công việc nhân mômen nữa.
Khoá biến mô (thường đi cùng với cả biến mô ly hợp 1 chiều như ở trên)
Như đã biết, biến mô là một thiết bị nối mềm giữa động cơ và hộp số, thêm nữa, biến mô còn thực hiện công việc nhân mômen xoắn cho động cơ khi xe cần lực kéo lớn. Khi xe đạt đến một vận tốc nào đó, lúc này không cần nhân mômen nữa. Câu hỏi đặt ra ở đây là Lúc này, chúng ta có cần đến biến mô nữa không? Câu trả lời là: Không bởi vì khi không cần nhân mômen nữa mà vẫn để truyền động nối mềm từ động cơ sang hộp số qua biến mô chỉ thêm tốn xăng mà thôi. Vì không có loại truyền động nào mà hiệu suất = 100% cả. Truyền động tốt nhất trong trường hợp này chính là nối cứng => khoá biến mô được vẽ ra để làm công việc nối cứng truyền động từ động cơ sang hộp số.
Khi đóng ly hợp, BTB cùng trục đầu ra biến mô sẽ được khoá cứng với vỏ ngoài và quay luôn cùng vỏ ngoài và BB(Vỏ ngoài và BB đúc liền), lúc này trục đầu ra sẽ quay đúng tốc độ động cơ và truyền trực tiếp vào hộp số. Ly hợp khoá biến mô là loại ly hợp nhiều đĩa đóng mở bằng áp lực dầu được điều khiển bởi các van điện từ điều biến đóng mở đường dầu. Các van điện từ này được kích hoạt bởi dòng điện gửi từ Bộ xử lý trung tâm(ECM-em hay gọi là hộp đen) tương tự như các ly hợp trên hộp số tự động(xem trên hình vẽ)
Biến mô với ly hợp đóng mở bánh bơm
Biến mô với ly hợp BB cũng tương tự với loại Ly hợp khóa biến mô, chỉ khác nhau ở chỗ ly hợp thực hiện công việc khóa hay mở kết nối giữa bánh bơm và vỏ ngoài (hình vẽ) (Chú ý: Như ở phần Ly hợp khóa biến mô ở trên là trường hợp BB đúc liền với vỏ ngoài). Biến mô với ly hợp đóng mở bánh bơm cho phép thay đổi đầu ra của biến mô trong một khoảng rộng. Hoạt động tương tự như biến mô bình thường ngoại trừ việc bánh bơm bị dẫn bởi vỏ ngoài bằng ly hợp dầu.(Vỏ ngoài được nối trực tiếp với bánh đà qua trục đầu vào biến mô)
Nguyên lý hoạt động:
Khi không có điện đến van điện từ, dầu được cấp đến đóng ly hợp, BB quay cùng vỏ ngoài nhờ ly hợp. Biến mô hoạt động như biến mô thường. Khi bắt đầu cấp điện đến van điện từ, dầu cấp đến ly hợp giảm, ly hợp bắt đầu nhả dần dần và xuất hiện sự trượt các đĩa của ly hợp. Trong quá trình hoạt động, người lái có thể trực tiếp đặt giá trị của dòng điện đển van điện từ để nhả ly hợp và tạo nên sự trượt đĩa ly hợp.
Lợi ích của việc trượt đĩa ly hợp giữa vỏ ngoài và bánh bơm:
- Giảm sự trượt của lốp => tăng tuổi thọ của lốp
- Tăng công suất động cơ cho những công việc khác (Ví dụ: xe nâng hay xe có cần cầu thủy lực, công suất động cơ lúc này sẽ ưu tiên cho công việc cẩu hàng)
- Tránh được khả năng máy bị ngất(chết) khi gặp tải nặng.
- Còn gì nữa mong các bác bổ xung, em chỉ nghĩ được đến thế thôi....
Biến mô có công suất đầu ra thay đổi được (Thực chất là thay đổi tiết diện của bánh bơm)
Vai trò của loại này là cho phép người vận hành có thể giới hạn số lượng mômen xoắn được nhân lên biến mô (Nhân mômen nhưng không phải lúc nào cũng nhân hêt cỡ=>tiết kiệm thịt hehe) để giảm sự trượt bánh và dành công suất cho công việc khác (lại cần cẩu hay xe nâng..hix).
Về cấu tạo không có gì thay đổi so với biến mô thường ngoại trừ việc BB được chia làm 2 phần, phần dưới lớn được đúc liền với vỏ ngoài và quay với tốc độ động cơ, phần trên nhỏ được kết nối với phần dưới thông qua ly hợp dầu. Khi cần hoạt động với công suất 100% thì ly hợp đóng lại nối cứng phần trên và phần dưới với nhau, lúc này biến mô hoạt động như bình thường. Khi không dùng 100% công suất thì người lái có thể nhả ly hợp và biến mô chỉ hoạt động với bánh bơm có tiết diện nhỏ hơn => tiết kiệm hơn.
Biến mô và bánh răng hành tinh kết hợp (Torque Divider)
Phía trước của biến mô được bố trí thêm một bộ bánh răng hành tinh mà chúng ta thường thấy ở trong hộp số tự động. Biến mô và bánh răng hành tinh kết hợp mang lại lợi ích của cả 2 công việc truyền động biến mô và truyền động nối cứng(truyền thẳng). Sự kết hợp này cho phép thay đổi mô men đầu ra giữa biến mô và bộ bánh răng hành tinh theo tỷ lệ 70/30 phụ thuộc vào tải của xe. Cả biến mô và bộ BRHT đều được nối với trục đầu ra. Trong quá trình hoạt động BM và bộ BRHT cùng hoạt động và mang lại hiệu qủa cao nhất trong việc phân chia mô men xoắn, cùng cung cấp cả nối cứng và nối mềm đến hộp số. Bộ BRHT cung cấp truyền động trực tiếp (nối cứng) trong qúa trình tải nhẹ, biến mô cung cấp nối mềm và nhân mômen trong qúa trình tải nặng. Như trên hình vẽ chúng ta sẽ thấy sự kết hợp được bố trí như sau:
- Vành răng ngoài của BRHT nối liền với BT
- Lồng hành tinh nối với trục ra biến mô
- Bánh răng định tinh(hay BR mặt trời) nối với BB và bánh đà
Với tải nhẹ, lồng hành tinh(Planetary carrier) và trục ra chịu tải nhẹ=>ít bị cản trở=>BR định tinh(Sun gear), BR hành tinh(Planetary gear), lồng hành tinh và vòng răng ngoài(Ring gear) quay cùng tốc độ. Mômen từ bộ BM và BRHT kết hợp được truyền qua lồng hành tinh đến trục ra và hộp số. Không có sự nhân mômen khi BM và bộ BRHT quay cùng tốc độ.
Khi tải nặng, lồng hành tinh và trục ra bị cản trở lớn, cùng với BR định tinh quay với tốc độ động cơ=> bánh răng hành tinh sẽ quay tại chỗ trên trục của nó và ngược với chiều quay của BR định tinh=> giảm tốc độ của BR định tinh, mà BR định tinh lại nối với BTB => giảm tốc độ BTB sẽ làm tăng mômen xoắn đầu ra tại biến mô, mômen xoắn này được truyền đến lồng hành tinh và trục đầu ra qua Vành răng ngoài.
Thêm nữa, tốc độ Vòng răng ngoài (Ring gear) giảm => mômen qua BR định tinh và các BR hành tinh cũng được nhân lên. Mômen này cũng truyền đền lồng hành tinh và trục ra.
Nếu sự cản trở của lồng hành tinh và trục ra đủ lớn. Vòng răng ngoài sẽ dừng lại. Trong vài trường hợp khi tải rất lớn, lồng hành tinh và trục ra sẽ dừng lại, lúc này Vành răng ngoài sẽ quay chậm theo hường ngược lại, đây chính là lúc mômen xoắn của bộ BM và BRHT kết hợp đạt giá trị cực đại
ưu điểm:
- Tăng công suất đầu ra BM
- Hấp thụ xung lực từ hệ thống truyền lực
- Cho phép truyền động trực tiếp
