Nguyên lý hoạt động của biến mô thủy lực

Nếu bạn từng tìm hiểu về hộp số thường, bạn biết rằng một động cơ được nối với một số bằng một ly hợp.

Nếu không có kết nối này, chiếc xe sẽ không thể hoàn toàn dừng lại mà không phá hỏng động cơ. Tuy nhiên với xe trang bị hộp số tự động, không có li hợp để ngắt động cơ và hộp số. Thay vào đó, người ta sử dụng một thiết bị gọi là biến mô thủy lực.Ở bài này, chúng ta sẽ tìm hiểu tại sao một hộp số tự động cần một biến mô, hoạt động và những tiện lợi của một biến mô thủy lực.

Bộ biến mô vừa truyền vừa khuyếch đại mô men từ động cơ vào hộp số (Bộ truyền bánh răng hành tinh) bằng việc sử dụng dầu hộp số tự động (ATF) như một môi chất.

Bộ biến mô gồm bánh bơm, bánh tuabin, khớp một chiều, stato và vỏ biến mô chứa tất cả các bộ phận đó. Bộ biến mô được điền đầy ATF do bơm dầu cung cấp. Động cơ quay và bánh bơm quay, và dầu bị đẩy ra từ bánh bơm thành một dòng mạnh làm quay bánh tua bin.

Bánh bơm được bố trí nằm trong vỏ bộ biến mô và nối với trục khuỷu qua đĩa dẫn động. Nhiều cánh hình cong được lắp bên trong bánh bơm. Một vòng dẫn hướng được lắp trên mép trong của các cánh để đường dẫn dòng dầu được êm.

Rất nhiều cánh được lắp lên bánh tuabin giống như trường hợp bánh bơm. Hướng cong của các cánh này ngược chiều với hướng cong của cánh của bánh bơm. Bánh tua bin được lắp trên trục sơ cấp của hộp số sao cho các cánh bên trong nó nằm đối diện với các cánh của bánh bơm với một khe hở rất nhỏ ở giữa.

Stato nằm giữa bánh bơm và bánh tua bin. Qua khớp một chiều nó được lắp trên trục stato và trục này được cố định trên vỏ hộp số. Dòng dầu trở về từ bánh tua bin vào bánh bơm theo hướng cản sự quay của bánh bơm. Do đó, stato đổi chiều của dòng dầu sao cho nó tác động lên phía sau của các cánh trên bánh bơm và bổ sung thêm lực đẩy cho bánh bơm do đó làm tăng mômen. Khớp một chiều cho phép Stato quay theo chiều quay của trục khuỷu động cơ. Tuy nhiên nếu Stato định bắt đầu quay theo chiều ngược lại thì khớp một chiều sẽ khoá stato để ngăn không cho nó quay.

Khi tốc độ của bánh bơm tăng thì lực li tâm làm cho dầu bắt đầu chảy từ tâm bánh bơm ra phía ngoài. Khi tốc độ bánh bơm tăng lên nữa thì dầu sẽ bị ép văng ra khỏi bánh bơm. Dầu va vào cánh của bánh tua bin làm cho bánh tua bin bắt đầu quay cùng chiều với bánh bơm. Dầu chảy vào trong dọc theo các cánh của bánh tua bin. Khi nó chui được vào bên trong bánh tua bin thì mặt cong trong của cánh sẽ đổi hướng dầu ngược lại về phía bánh bơm, và chu kỳ lại bắt đầu từ đầu. Việc truyền mô men được thực hiện nhờ sự tuần hoàn dầu qua bánh bơm và bánh tua bin.


Việc khuyếch đại mômen do bộ biến mô thực hiện bằng cách dẫn dầu khi nó vẫn còn năng lượng sau khi đã đi qua bánh tua bin trở về bánh bơm qua cánh của Stato. Nói cách khác, bánh bơm được quay do mô men từ động cơ mà mô men này lại được bổ sung dầu quay về từ bánh tua bin. Có thể nói rằng bánh bơm khuyếch đại mô men ban đầu để dẫn động bánh tua bin.

Dưới đây là mô tả chung về hoạt động của bộ biến mô khi cần số được chuyển vào “D”, “2″, “L” hoặc “R”.

Khi động cơ chạy không tải thì mômen do động cơ sinh ra là nhỏ nhất. Nếu gài phanh (phanh tay và/hoặc phanh chân) thì tải trên bánh tuabin rất lớn vì nó không thể quay được. Tuy nhiên, do xe bị dừng nên tỷ số truyền tốc độ của bánh tuabin so với cánh bơm bằng không trong khi tỷ số truyền mô men ở trị số lớn nhất. Do đó, bánh tua bin luôn sẵn sàng để quay với một mômen lớn hơn mô men do động cơ sinh ra.

Khi nhả các phanh thì bánh tuabin có thể quay cùng với trục sơ cấp của hộp số. Do đó, bánh tuabin quay với một mômen lớn hơn mô men do động cơ sinh ra khi đạp bàn đạp ga. Như vậy xe bắt đầu chuyển động.

Khi tốc độ xe tăng lên, thì tốc độ quay của bánh tua bin sẽ nhanh chóng tiến gần tới tốc độ quay của bánh bơm. Vì vậy, tỷ số truyền mômen nhanh chóng tiến gần tới 1.0. Khi tỷ số truyền tốc độ giữa bánh tua-bin và bánh bơm đạt tới điểm li hợp thì stato bắt đầu quay. và sự khuyếch đại mô men giảm xuống. Nói cách khác, bộ biến mô bắt đầu hoạt động như một khớp nối thuỷ lực. Do đó, tốc độ xe tăng gần như theo tỷ lệ thuận với tốc độ động cơ.

Bộ biến mô chỉ hoạt động như một khớp nối thuỷ lực. Bánh tua bin quay ở tốc độ gần đúng tốc độ của bánh bơm.

Cơ cấu li hợp khoá biến mô truyền công suất động cơ tới hộp số tự động một cách trực tiếp và cơ học. Do bộ biến mô sử dụng dòng thuỷ lực để gián tiếp truyền công suất nên có sự tổn hao công suất. Vì vậy, li hợp được lắp trong bộ biến mô để nối trực tiếp động cơ với hộp số để giảm tổn thất công suất. Khi xe đạt được một tốc độ nhất định, thì cơ cấu li hợp khoá biến mô được sử dụng để nâng cao hiệu quả sử dụng công suất và nhiên liệu. Li hợp khoá biến mô được lắp trong moayơ của bánh tuabin, phía trước bánh tuabin. Lò xo giảm chấn sẽ hấp thụ lực xoắn khi ăn khớp li hợp để ngăn không cho sinh ra va đập. Một vật liệu ma sát (cùng dạng vật liệu sử dụng trong các phanh và đĩa li hợp) được gắn lên vỏ biến mô hoặc píttông khoá của bộ biến mô để ngăn sự trượt ở thời điểm ăn khớp li hợp.

Khi li hợp khoá biến mô được kích hoạt thì nó sẽ quay cùng với bánh bơm và bánh tua-bin. Việc ăn khớp và nhả li hợp khoá biến mô được xác định từ những thay đổi về hướng của dòng thuỷ lực trong bộ biến mô khi xe đạt được một tốc độ nhất định. Khi xe chạy ở tốc độ thấp thì dầu bị nén (áp suất của bộ biến mô) sẽ chảy vào phía trước của li hợp khoá biến mô. Do đó, áp suất trên mặt trước và mặt sau của li hợp khoá biến mô trở nên cân bằng và do đó li hợp khoá biến mô được được nhả khớp. Khi xe chạy ổn định ở tốc độ trung bình hoặc cao (thường trên 60 km/h) thì dầu bị nén sẽ chảy vào phía sau của li hợp khoá biến mô. Do đó, vỏ bộ biến mô và li hợp khoá biến mô sẽ trực tiếp nối với nhau. Do đó, li hợp khoá biến và vỏ bộ biến mô sẽ quay cùng nhau (ví dụ, li hợp khoá biến được đã được ăn khớp).

Tại sao những chiếc xe có hộp số tự động lại cần phải có một bộ chuyển đổi momen, chúng hoạt động như thế nào và ưu điểm cũng như nhược điểm của chúng là gì?

1. Nguyên lý cơ bản

Cũng giống như những chiếc xe dùng hộp số cơ, những chiếc sử dụng hộp số tự động cần phải có cách để cho động cơ vẫn quay trong khi những chiếc bánh xe và bánh răng trong hộp số chuyển động tới vị trí dừng. Những chiếc xe có hộp số cơ dùng một khớp ly hợp để tách hoàn toàn động cơ ra khỏi hộp số. Những chiếc xe có hộp số tự động dùng bộ chuyển đổi momen.

Bộ chuyển đổi momen là một loại khớp nối dầu, cho phép động cơ quay có phần độc lập với hộp số. Nếu động cơ đang ở vòng tua thấp, như khi xe đang ở chế độ không tải hoặc chuẩn bị dừng xe, lượng momen xoắn đi qua bộ chuyển đổi momen rất nhỏ, do đó, giữ cho xe đứng yên chỉ cần một áp lực nhẹ trên pê đan phanh.

Nếu bạn định dậm lên peđan ga khi chiếc xe đang dừng thì xe sẽ lập tức chuyển động về phía trước ngay, khi đó nếu muốn xe dừng xe thì chuyển chân từ bàn đạp ga sang vị trí bàn đạp phanh. Điều này có thể giải thích như sau: khi bạn dậm lên chân ga, máy tăng tốc và bơm thêm dầu vào bộ chuyển đổi momen, làm cho nhiều momen xoắn được truyền tới 4 bánh xe hơn.

2. Cấu tạo bộ chuyển đổi momen

Như hình vẽ bên dưới, cấu tạo của bộ chuyển đổi momen, ngoài hộp vỏ còn 4 phần chính như sau: Bơm, tuabin, stato, dầu hộp số

Hộp vỏ của bộ chuyển đổi momen được gắn với một bánh đà của động cơ, nó quay theo tốc độ động cơ. Các cạnh bên cấu thành bơm của bộ chuyển đổi momen được gắn liền với hộp vỏ, do đó, chúng cũng quay theo tốc độ quay của động cơ. Nhìn vào mặt cắt bên dưới, ta có thể thấy các bộ phận bên trong bộ chuyển đổi momen được nối với nhau như thế nào.

Bơm bên trong bộ chuyển đổi momen là một loại bơm li tâm. Khi nó quay, dầu văng ra bên ngoài, giống như vòng quay của một máy giặt làm văng nước và quần áo hướng ra bên ngoài thành máy giặt. Khi dầu văng ra phía ngoài, chân không được tạo ra để hút nhiều dầu vào giữa.

Sau đó, dầu đi vào các lá tuabin được nối với hộp số. Tuabin làm cho hộp số quay, đây chính là yếu tố cơ bản làm cho chiếc xe của bạn chuyển động. Bạn có thể thấy trong hình bên dưới các lá tuabin được uốn cong. Điều này có nghĩa là dầu đi vào tuabin từ bên ngoài và nó phải thay đổi hướng trước khi đi ra khỏi tâm tuabin. Chính sự thay đổi hướng này đã làm cho tuabin quay.

Để thay đổi hướng chuyển động của một vật, bạn phải tác động một lực lên vật đó – -Sẽ chẳng có gì khác nhau nếu vật đó là một chiếc ô tô hay một giọt dầu. Và bất kể bạn dùng cái gì để tác động một lực làm vật đó chuyển động bạn cũng sẽ cảm nhận được một lực nhưng theo chiều ngược lại. Do đó, khi tuabin làm cho dầu chuyển hướng thì ngược lại, dầu làm cho tuabin quay.

Dầu ra khỏi tuabin ở chính giữa tâm tuabin, chuyển động theo một hướng khác so với khi nó đi vào tuabin. Nếu nhìn vào mũi tên ở hình vẽ bên trên, bạn có thể thấy rằng dầu đi ra khỏi tuabin theo hướng chuyển động ngược với hướng quay của bơm (và động cơ). Nếu dầu đi đến bơm, nó sẽ làm cho động cơ quay chậm lại, gây hao phí công. Điều này lý giải vì sao bộ chuyển đổi momen cần có một stato.

Stato nằm ở chính giữa tâm của bộ chuyển đổi momen. Nhiệm vụ của nó là dẫn hướng cho dầu quay ngược trở lại từ tuabin trước khi nó chảy đến bơm một lần nữa. Việc này làm tăng hiệu suất của bộ chuyển đổi momen rất nhanh.

Stato có thiết kế các lá đặc biệt gần như làm chuyển đổi hoàn toàn hướng đi của dầu. Khớp ly hợp một chiều (bên trong stato) nối stato với một trục cố định trong hộp số (hướng mà khớp ly hợp làm cho stato quay được chú thích trong hình vẽ trên đây). Do bố trí như vậy, stato không thể quay khi có dầu – nó chỉ có thể quay theo chiều ngược lại, buộc dầu phải thay đổi hướng khi nó chạm vào các lá stato.


Khi chiếc xe bắt đầu chuyển động, sẽ xảy ra một số vấn đề nhỏ. Tại một thời điểm, khoảng 40 dặm/h (64 km/h), lúc này, cả bơm và tuabin đều quay với một vận tốc gần bằng nhau (bơm luôn quay nhanh hơn một chút). Và cũng tại thời điểm này, dầu quay trở lại từ tuabin, đi vào bơm, chuyển động cùng chiều với bơm, do đó, không cần đến stato.

Mặc dù tuabin làm thay đổi hướng chuyển động của dầu và làm cho nó văng ra phía sau, dầu vẫn dừng chuyển động theo hướng tuabin đang quay vì tuabin đang quay theo một hướng nhanh hơn dầu được bơm theo một hướng khác. Nếu bạn đang đứng sau một chiếc Pickup chuyển động với tốc độ 60 dặm/h, và bạn ném một quả bóng về đằng sau của chiếc Pickup đó với tốc độ 40 dặm/h, quả bóng vẫn sẽ chuyển động về phía trước với tốc độ 20 dặm/h. Điều này tương tự những gì diễn ra trong tuabin: Dầu bị văng ra phía sau theo một hướng, nhưng không nhanh bằng khi nó bắt đầu chuyển động theo chiều ngược lại.

Với các mức tốc độ như vậy, dầu sẽ đập vào các phần sau của các lá stato, làm cho stato quay tự do trên khớp ly hợp một chiều của nó, do đó, nó không gây cản trở cho dầu khi đi qua nó.

3. Ưu điểm và nhược điểm

Bên cạnh nhiệm vụ quan trọng là làm cho chiếc xe của bạn dừng hẳn lại mà không chết máy, bộ chuyển đổi momen tạo ra nhiều momen xoắn hơn cho chiếc xe trong những trường hợp cần dừng xe đột ngột (có tác dụng như phanh hãm). Các bộ chuyển đổi momen hiện đại có khả năng tăng momen xoắn cho động cơ gấp 2 hoặc 3 lần. Hiệu ứng này chỉ xảy ra khi động cơ quay nhanh hơn rất nhiều so với hộp số.

Ở tốc độ cao, lúc này hộp số và động cơ chuyển động với một vận tốc gần bằng nhau. Tuy nhiên, về mặt lý tưởng, hộp số cần chuyển động với tốc độ chính xác bằng tốc độ của động cơ vì vận tốc khác nhau sẽ gây hao phí công. Đây là một phần nguyên nhân vì sao những chiếc ô tô dùng hộp số tự động tiêu thụ nhiều nhiên liệu hơn những chiếc xe sử dụng hộp số cơ.

Cập nhật lần cuối: 5/22/2017 4:38:08 PM

• Gửi Email

• Bản in

• Về trang trước