EnterKnow: Biến mô là một khớp nối thủy lực, được sử dụng để truyền công suất từ động cơ sang hộp số tự động (tải) trên ô tô. Vai trò chính của bộ biến mô là: tách động cơ khỏi hộp số khi xe dừng lại và truyền mômen xoắn đến hộp số khi động cơ đang tăng tốc độ. Bộ biến mô cho phép động cơ chạy không tải khi xe dừng lại ngay cả khi hộp số đang gài số.
Biến mô là gì?
Torque Converter, dịch ra nguyên nghía là Bộ chuyển đổi mô-men xoắn hay bộ biến đổi mô-men xoắn, thuật ngữ kỹ thuật ngắn gọn là Biến mô. Như tên của nó, biến mô chuyển đổi (khuếch đại) mô-men xoắn đầu vào của động cơ thành mô-men xoắn đầu ra cao hơn. Biến mô là một thành phần quan trọng đầu tiên trong các thành phần của hộp số tự động.
Biến mô được gắn giữa động cơ đốt trong và hộp số tự động, ở cùng một vị trí mà ly hợp sẽ có trong trường hợp hộp số tay. Các thành phần chính của bộ biến mô là:
- Bánh công tác (còn được gọi là bánh bơm)
- Tuabin
- Stato (được gắn trên cơ chế một chiều)
- Ly hợp khóa
Bộ biến mô được đổ đầy dầu hộp số tự động (ATF), là một loại dầu truyền lực thủy lực. Bánh bơm (công tác) được kết nối với trục khuỷu và bánh tuabin được kết nối với trục đầu vào của hộp số. Trong hình ảnh dưới đây, bạn có thể thấy một phần chi tiết của một biến mô với các thành phần chính của nó. Bánh công tác, stato và tuabin có các cánh cong làm cho chất lỏng chảy vào bên trong bộ biến mô.
- Tuabin
- Bánh bơm (bánh công tác)
- Stato
- Bộ giảm chấn xoắn
- Phanh lót
- Ly hợp khóa
Bánh công tác (2) được trục khuỷu quay và nó biến đổi cơ năng của trục khuỷu thành động năng bằng cách đưa chất lỏng vào dòng chuyển động. Sau đó chất lỏng va vào bánh tuabin (1) và quá trình ngược lại xảy ra, động năng được chuyển hóa trở lại thành cơ năng. Sự gia tăng mô-men xoắn xảy ra do stato (3), làm lệch dòng chất lỏng khi đi vào tuabin.
Như bạn có thể thấy, không có kết nối trực tiếp (cơ học) giữa bánh công tác và tuabin. Sức mạnh giữa động cơ và hộp số được truyền qua chất lỏng trong chuyển động. Do đó, hiệu suất của bộ biến mô tương đối thấp, đặc biệt là ở nhiệt độ thấp và chênh lệch tốc độ cao (trượt) giữa bánh công tác và tuabin.
Chất lỏng được đưa vào chuyển động bởi các cánh của bánh công tác, dẫn nó đến các cánh của stato, điều này tiếp tục chuyển hướng chất lỏng vào các cánh tuabin. Khi có sự chênh lệch tốc độ cao giữa bánh công tác và tuabin, stato không quay, đạt được sự khuếch đại mô-men xoắn. Giai đoạn này được gọi là giai đoạn chuyển đổi (khuếch đại). Biến mô có thể nhân mô-men xoắn của động cơ lên đến 2,5 lần. Khi tốc độ tuabin gần bằng tốc độ bánh công tác, stato bắt đầu quay và biến mô đi vào giai đoạn ly hợp. Trong giai đoạn này không có hiện tượng nhân mômen động cơ xảy ra.
Ly hợp khóa (6) hay còn gọi là ly hợp biến mô (TCC) có vai trò kết nối cơ học bánh công tác với tuabin nhằm hạn chế tổn thất công suất. Khi chênh lệch tốc độ giữa bánh công tác và tuabin không quá lớn, ly hợp bộ biến mô được đóng và động cơ kết nối trực tiếp với hộp số, không có bất kỳ tổn thất nào của bộ biến mô.
Biến mô hoạt động như thế nào?
Hầu hết các phương tiện hiện đại đều được trang bị động cơ đốt trong (ICE), bỏ qua xe điện nhé các bạn. Một nhược điểm của ICE, so với động cơ điện, là nó không thể khởi động khi có tải và nó cần một thiết bị khởi động bên ngoài (máy khởi động điện). Vì vậy, để tránh động cơ dừng khi xe đứng yên, chúng ta cần ngắt động cơ ra khỏi các bánh xe.
Trên xe có hộp số tay (MT), việc ngắt động cơ có thể được thực hiện theo hai cách:
- Nhấn bàn đạp ly hợp
- Chọn số N
Trên xe có hộp số tự động (AT), việc ngắt động cơ khỏi hộp số được thực hiện tự động mà không cần sự can thiệp của người lái. Điều này có thể thực hiện được là nhờ vào nguyên lý làm việc của bộ biến mô.
Bộ biến mô được đặt giữa động cơ đốt trong và hộp số. Bên trong hộp số tự động có ba bộ phận chính: bộ biến mô, hộp số hành tinh (hành tinh) và mô-đun điều khiển điện-thủy lực.
Trục khuỷu ICE được kết nối cơ khí với biến mô. Bên trong biến mô, công suất động cơ được chuyển tới hộp số theo phương pháp thủy động lực học. Khi không khóa biến mô, không có kết nối cơ khí giữa đầu vào (động cơ) và đầu ra (hộp số).
Để hiểu rõ nguyên lý làm việc của biến mô, chúng ta xét một ví dụ đơn giản. Hai chiếc quạt điện được đặt đối diện nhau, một chiếc được cắm điện và bật quay, một chiếc không cắm điện.
Quạt bên trái được cắm điện và bật quay. Trong khi quay nó sẽ tạo ra một luồng không khí di chuyển hướng trục. Luồng không khí sẽ đập vào quạt bên phải (không được cấp điện), quạt này sẽ bắt đầu quay. Công suất được truyền từ quạt trái sang quạt phải thông qua chất lỏng công tác (trong trường hợp này là không khí). Nhìn vào ta thấy, hiệu quả của hệ thống này rất thấp vì có rất nhiều không khí sẽ bị tản ra xung quanh các cánh của quạt bên phải.
Nguyên tắc tương tự cũng áp dụng cho bộ biến mô, với một số điểm khác biệt. Trong trường hợp của bộ biến mô, cả hai “quạt” ở rất gần nhau, để giảm thiểu tổn thất công suất. Chất lỏng công tác là chất lỏng (dầu AT). Ngoài ra, giữa hai “quạt” còn có một bộ phận khác, chuyển hướng dòng chất lỏng để giảm thiểu tổn thất và khuếch đại mômen truyền.
“Quạt” tạo ra năng lượng được gọi là bánh bơm (công tác) và nó được kết nối cơ học với trục khuỷu của động cơ. “Quạt” nhận năng lượng thủy lực được gọi là bánh tuabin và nó được kết nối cơ học với trục đầu vào của hộp số. Giữa bánh công tác và tuabin là một stato, có tác dụng chuyển hướng dòng dầu. Thể tích được tạo ra bởi các thành phần này chứa đầy dầu.
Khi động cơ chạy không tải, chuyển động quay của bánh công tác sẽ “ném” dầu vào bánh tuabin. Vì tốc độ động cơ thấp nên động năng của dầu chuyển động không đủ để cung cấp năng lượng cho xe. Có một lượng nhỏ mô-men được truyền đi, được gọi là mô-men kéo.
Mô-men kéo tăng nếu độ nhớt của dầu tăng (ở nhiệt độ thấp). Mô-men kéo làm cho xe “bò” đi. Điều này cho thấy rằng, khi bộ chọn chuyển số đang ở vị trí dẫn động (D), đồng thời nhả cả bàn đạp ga và bàn đạp phanh, mô-men kéo sẽ làm xe di chuyển nhẹ. Nếu người lái nhấn bàn đạp phanh, xe sẽ dừng lại vì mômen kéo không đáng kể so với mô-men phanh ở các bánh xe.
Khi người lái nhấn bàn đạp ga, tốc độ động cơ sẽ tăng lên. Bánh công tác sẽ quay nhanh hơn và làm tăng động năng của dầu. Tua-bin sẽ nhận được nhiều năng lượng hơn dẫn đến mô-men xoắn lớn hơn được truyền đến hộp số.
Trong sơ đồ trên, chúng ta có thể phân biệt dễ dàng giữa các thành phần của biến mô. Bánh công tác (màu xanh lá cây) được kết nối với động cơ và tuabin (màu vàng) với trục đầu vào của hộp số. Stato (màu xanh) như tên cho thấy hầu hết thời gian ở chế độ tĩnh (cố định).
Sự chuyển động của dòng dầu thủy lực trong biến mô bao gồm 2 thành phần:
- Thành phần di chuyển, quay xung quanh trục của biến mô (revolution)
- Thành phần quay xung quanh tâm xuyên của biến mô, từ bánh bơm sang bánh tuabin về bánh bơm (rotation, mũi tên màu đỏ)
Giữa bánh bơm và tuabin luôn có sự trượt, tức là chúng quay với các tốc độ khác nhau. Tỷ số giữa tốc độ của tuabin và tốc độ của bánh bơm được gọi là tỷ số tốc độ của bộ biến mô. Tỷ số tốc độ bằng 0 khi tuabin tĩnh và bánh bơm quay, và bằng 1 khi cả hai quay cùng tốc độ.
Bộ biến mô cũng có tỷ số mô men. Đây là tỷ số mà mô-men xoắn đầu vào (động cơ) được nhân lên trước khi được chuyển đến hộp số. Giá trị lớn nhất của tỷ số mô-men xoắn (khoảng 2,3 – 3,0) khi tỷ số tốc độ là 0,0 và giá trị nhỏ nhất (1,0) khi tỷ số tốc độ trên 0,85 – 0,9.
Stato được cố định miễn là có độ trượt đáng kể giữa bánh công tác và tuabin. Khi các tốc độ gần nhau, khi tỷ số tốc độ trong khoảng 0,85 – 0,9, hướng của chất lỏng thay đổi và stato cũng bắt đầu quay. Điều này có thể thực hiện được vì stator là bộ phận lắp trên cơ chế một chiều.
Biến mô có hiệu suất khá thấp. Bởi vì nó có hiện tượng trượt, ma sát lớn giữa chất lỏng công tác (dầu) và các bộ phận cơ khí (bánh công tác, tuabin và stato) trong quá trình hoạt động. Hiệu suất tối thiểu (dưới 10%) khi tỷ số tốc độ gần 0 và đạt cực đại 85 – 90% khi tỷ lệ tốc độ xung quanh 0,85.
Để nâng cao hiệu suất của biến mô, khi độ trượt giữa bánh công tác và tuabin tương đối nhỏ, biến mô được khóa lại. Điều này có thể thực hiện được bằng cách sử dụng ly hợp khóa, liên kết cơ học giữa bánh công tác với tuabin. Bằng cách này, không còn ma sát giữa dầu và các bộ phận, đồng thời công suất động cơ được truyền đến hộp số một cách cơ học thuần túy.
Biến mô thường bị khóa ở các bánh răng cao hơn (trên số 2), hoặc khi tốc độ xe trên 20 km/h. Khi hộp số đang thực hiện sang số, ly hợp khóa sẽ chuyển sang trạng thái trượt để làm giảm các dao động truyền động.
Tương tự như ly hợp trong hộp số tay, ly hợp khóa có một bộ điều tiết rung động (giảm chấn), làm giảm dao động trong giai đoạn khóa bộ biến mô.
Biến mô là thiết bị kết hợp mặc định trong hầu hết các loại hộp số tự động (AT) cũng như trong một số hộp số biến thiên liên tục (CVT). Các đặc điểm chính của biến mô là ngắt động cơ tự động khỏi hệ truyền động ở tốc độ động cơ thấp, khuếch đại mô-men xoắn và giảm rung (do truyền công suất thủy động).
Hiệu suất của biến mô
Biến mô có chức năng giống như một thiết bị khớp nối thủy lực. Công suất cơ học truyền từ động cơ đốt trong được bánh bơm chuyển thành công suất thủy lực và trở lại thành cơ năng nhờ tuabin. Tất cả những chuyển đổi công suất này đều có một số tổn thất. Những mất mát này chủ yếu là do ma sát trong các lớp chất lỏng, giữa chất lỏng với thành vách cơ khí,…
Hiệu suất của bộ biến mô phụ thuộc vào tỷ số tốc độ ν giữa bánh công tác và tuabin. Tỷ số tốc độ biến mô được định nghĩa là tỷ số giữa tốc độ đầu ra (tuabin) và tốc độ đầu vào (bánh công tác):
ν = ωT / ωP
ωT – tốc độ tua bin [rad/s]
ωP – tốc độ bánh bơm [rad/s]
Vì tốc độ tuabin luôn trễ so với tốc độ của bánh công tác (bơm), cho nên tỷ số tốc độ luôn nhỏ hơn 1. Điều này có nghĩa là có ma sát trong chất lỏng truyền động dẫn đến tổn thất công suất. Tỷ số tốc độ càng thấp, ma sát càng cao, tổn thất công suất càng cao, hiệu suất biến mô tổng thể càng thấp.
Trong hình trên, bạn có thể thấy sự biến thiên của hàm hiệu suất biến mô với tỷ số tốc độ (đường màu xanh lá cây). Đặc tính hiệu suất của biến mô có bốn điểm hoạt động đặc biệt:
- S (điểm dừng): tại điểm này tốc độ tuabin bằng 0 và bánh công tác đang quay; Hiệu suất ở điểm dừng là tối thiểu, khoảng 50%, có nghĩa là một nửa công suất đến từ động cơ bị mất do ma sát và bị phân tán dưới dạng nhiệt; tại thời điểm này, chuyển đổi mô-men xoắn ở giá trị cao nhất, có lợi cho khả năng kéo của xe
- M (điểm hiệu suất tối đa): tại điểm này biến mô đạt hiệu suất tối đa, chất lỏng chảy mà không có tổn thất.
- C (điểm khóa): tại thời điểm này stato bắt đầu quay cùng tuabin và không có khả năng chuyển đổi mômen quay; từ thời điểm này, biến mô hoạt động giống như một ly hợp thủy lực, chỉ truyền công suất từ động cơ đến hộp số mà không có bất kỳ sự khuếch đại mô-men xoắn nào
- F (điểm dòng chảy tự do): lúc này tuabin không có tải, tỷ số tốc độ rất gần bằng 1, nghĩa là tốc độ tuabin khớp với tốc độ bánh công tác
Bài viết dài, nhiều trang, nhấn NEXT để chuyển sang trang tiếp theo nhé!
