Đồ án kỹ thuật Đại học Bách Khoa Hà Nội

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC **************** THUYẾT MINH ĐỒ ÁN KỸ THUẬT Đề tài: TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỘP SỐ XE CỨU HỎA MINI Họ tên: Phạm Đức Anh - 20186096 Nguyễn Đình Đạt - 20186099 Lớp Mã HP : CTTT Kỹ thuật ô tô – K63 : TE3090 Giảng viên hướng dẫn : PGS.Nguyễn Thế Lương Hà Nội, tháng 07 năm 2021 Đề số: 01 TÍNH TỐN THIẾT KẾ XE CỨU HỎA ĐIỀU KHIỂN TỪ XA Hình Sơ đồ xe cứu hỏa Số liệu cho trước: Loại xe ôtô: Xe cứu hỏa Tải trọng xe: 750 (Kg) Độ dốc lớn mặt đường mà xe vượt được: αmax = 250 Các số liệu lại bổ sung q trình tính tốn Nội dung thực - Xác định tỷ số truyền hệ thống truyền lực, tính tốn lựa chọn truyền lực - Tính tốn trục, tính tốn ổ lăn hộp số Khối lượng thiết kế: 01 vẽ lắp hệ thống - khổ A0 Bản vẽ (khổ A3/A4 – đóng thuyết minh) chi tiết trục, bánh xích 01 thuyết minh Giảng viên: PGS TS Nguyễn Thế Lương 10 11.Mục Lục 12 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VÀ PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ Bảng Các thông số tham khảo xe cứu hỏa (Dựa xe tải tấn) STT 10 11 12 Thơng số Kích thước bao (dài x rộng x cao) Chiều dài sở Trọng lượng toàn tải Phân bố lên cầu trước Phân bố lờn cầu sau Số vòng quay bán trục Hiệu suất hệ thống truyền lực Công suất cực đại động Mômen xoắn cực đại động Tốc độ cực đại xe leo dốc Độ dốc Khoảng thời gian tăng tốc từ lên (km/h) Kích Thước 1100*700*1300 1100 750 300 450 45-65 0,9 4500 26,65 25 Đơn Vị mm mm Kg Kg Kg V/p giây W N/m Km/h độ Động điện Động điện loại động làm việc dựa tượng cảm ứng điện từ, điện chuyển hóa thành 1.2 Ưu nhược điểm So với động đốt trong, động điện có nhiều ưu điểm trở thành nguồn động lực phổ biến phương tiện di chuyển nói chung tơ nói riêng tương lai a) Hiệu suất Động điện có hiệu suất cao nhiều lần so với động đốt Như ta đã biết động đốt chuyển hóa nhiệt thành năng, trình làm việc lượng nhiệt lớn bị tổn thất cho hệ thống làm mát, truyền nhiệt, Chính vì hiệu suất động đốt đạt khoảng từ 30% đến 40% Ngược lại, với trình làm việc động 1.1 b) điện, lượng tổn thất lượng sinh nhiệt không đáng kể nên hiệu suất động điện lên đến khoảng 90% Đặc tính động Như ta đã biết, so với động đốt thì động điện có đường đặc tính gần với yêu cầu sử dụng thực tế xe Động điện khởi động từ tốc độ (rpm) Trong vùng tốc độ thấp, từ khởi động đến tốc độ (Base speed), momen sinh động lớn không đổi, phù hợp cho việc tăng tốc leo dốc Chính vì thế, hệ thống truyền lực xe điện thường đơn giản loại bỏ số phận không cần thiết ly hợp, giảm bớt cặp bánh hộp số không cần nhiều tỉ số truyền Hình 1.1 Đường đặc tính động đốt động điện c) Kết cấu So với động đốt trong, động điện có kết cấu đơn giản nhiều kích thước nhỏ gọn khối lượng giảm đáng kể Tuy nhiên, động điện đưa lên phương tiện di chuyển nhược điểm giá thành cao thách thức vấn đề giải nguồn lượng cho động 1.3 Phân loại Khi sử dụng xe điện thì loại động điện phải đáp ứng yêu cầu: công suất không đổi lớn mật độ công suất lớn; momen lớn tốc độ thấp cho khởi động leo dốc công suất lớn tốc độ cao để đảm bảo khả động học; hiệu suất cao; hiệu cao sử dụng cho phanh tái sinh; kết cấu gọn, khối lượng nhỏ, momen quán tính nhỏ; độ tin cậy cao, đáp ứng nhiều điều kiện vận hành khác nhau; giá thành hợp lý; dễ dàng điều khiển Một số loại động điện sử dụng cho phương tiện di chuyển: Động điện chiều (Brushed DC Motor), động không đồng (Induction Motor – IM), động chiều không chổi than (Permanent Magnet Brushless DC Motor), động từ trở thay đổi (Switched Reluctance Motor) Sau ta phân tích số ưu nhược điểm để chọn loại động phù hợp với tiêu chí ***Lựa chọn loại động có từ trở thay đổi (Switched Reluctance Motor): Ta thấy động có từ trở thay đổi (Switched Reluctance Motor) loại động phù hợp tối ưu cho xe điện Một số nhược điểm loại động dễ dàng khắc phục Chính vì ta chọn động loại làm nguồn động lực cho xe tham khảo Cấu tạo: Động từ trở thay đổi có cấu tạo rotor stator có dạng cực lồi, stator có dây quấn tương tự dây quấn kích từ động chiều, rotor khối sắt, dây quấn hay nam châm Hình 1.2 Động từ trở thay đổi Ưu điểm: Bền vững, cho phép thiết kế dải tốc độ cao lên tới hàng chục nghìn vịng/phút, dễ điều khiển, đường đặc tính momen – tốc độ phù hợp cho xe điện, vùng cơng suất khơng đổi rộng Nhược điểm: Có nhấp nhơ momen điều dẫn đến khó điều khiển với chất lượng cao, độ ồn lớn 2.1 Hộp số Như đã trình bày trên, đường đặc tính động điện gần đáp ứng yêu cầu sử dụng xe Vì hộp số sử dụng xe điện thường có cấu tạo đơn giản không cần nhiều tỉ số truyền, kích thước hộp số dùng cho xe điện nhỏ gọn nhiều Thơng thường, kích thước nhỏ gọn nên thiết kế hộp số ta đưa truyền lực vi sai vào bên hộp để tiết kiệm khơng gian chi phí, vật liệu gia cơng chế tạo Hiện hộp số xe điện đa dạng sử dụng nhiều kiểu truyền động khác nhau, loại phổ biến kể đến như: hộp số tỉ số truyền, hộp số hai tỉ số truyền hộp số hành tinh 2.2 Hộp số tỉ số truyền Đây loại hộp số có cấu tạo đơn giản sử dụng phổ biến xe điện nay, số loại xe kể tới như: Tesla Model 3, Volkswagen ID.3 Hình 1.3 Hộp số tỉ số truyền Cấu tạo hộp số tỉ số truyền thể khái quát qua hình 1.4 Hình 1.4 Hộp số tỉ số truyền Các phần hộp số cấp tỉ số truyền bao gồm: trục vào (1) nối từ động điện, cặp bánh ăn khớp hai trục sơ cấp trục trung gian, cặp bánh truyền lực (2), vi sai côn đối xứng (3) trục (4) nối với bán trục Nguyên lý hoạt động hộp số loại đơn giản, momen từ động truyền vào trục sơ cấp, thông qua cặp bánh ăn khớp dẫn động trục trung gian, momen tiếp tục truyền qua cặp bánh truyền lực chính, qua vi sai hai bán trục Bộ vi sai có tác dụng giúp hai bán trục quay với tốc độ khác nhau, tránh tượng trượt quay vòng lực cản không cân tại hai bên bánh xe ***Lựa chọn phương án thiết kế hộp số Từ loại hộp số đã nêu trên, dựa vào nhu cầu sử dụng thực tế xe tham khảo, ta chọn phương án thiết kế loại hộp số tỉ số truyền Hình 1.5 Sơ đồ hộp số cấp tỉ số truyền Do tốc độ xe không cao, để dễ gia công chế tạo ta lựa chọn bánh trục sơ cấp, trục trung gian cặp bánh truyền lực loại bánh trụ thẳng Vi sai dùng hộp số loại vi sai côn đối xứng Những nhược điểm vi sai đối xứng khắc phục phương pháp như: phanh lựa (Selective Braking) ngắt dịng cơng suất (Power Flow Cut) Do phương pháp liên quan đến hệ thống điều khiển nên nội dung đồ án ta không tìm hiểu sâu CHƯƠNG II TÍNH ĐỘNG HỌC 1.1 Xác định cơng suất Khi tính tốn nguồn động lực xe ô tô, ta thường quan tâm tới số vận hành xe: vận tốc cực đại, khả leo dốc, khả tăng tốc quãng đường xe chạy lần nạp nhiên liệu Đối với loại xe có nguồn động lực động đốt trong, tính tốn cơng suất cực đại, ta cần quan tâm đến tiêu chí vận tốc cực đại vì vùng công suất cực đại thường rơi vào vùng vận tốc lớn Nhưng động điện, công suất không thay đổi nhiều trình làm việc, momen xoắn động giảm dần tốc độ tăng cao dẫn đến tính động học tơ điện giảm xuống Chính vì q trình tính tốn ta phải quan tâm đến tiêu chí là: vận tốc cực đại, khả tăng tốc khả leo dốc Hình 2.1 Đường đặc tính động điện 1.2 Xác định công suất đối với tiêu khả leo dốc 3.4.3 Xác định khoảng cách điểm đặt lực Trục I: Hình 3.2 Khoảng cách điểm đặt lực trục I Chiều dài then hoa: lt = 35 (mm), bo1= 17(mm) Chiều dài moay bánh số 1: lm11 = (1,2 ÷ 1,5) d1 = (1,2 ÷ 1,5).25 = (30 ÷ 37,5) (mm) Chọn lm11 = bw1+ 6= 44,5 (mm); k1=90 l11 = 90+0,5(bo1+bw1)= 117,75 (mm) l12 = 151,5 (mm) Vẽ biểu đồ momen Hình 3.6 Lực tác dụng lên trục I Lực vòng Lực hướng tâm Phương trình cân lực: =>297,8 Biểu đồ momen: 1337 (N) 487 (N) Hình 3.7 Biểu đồ momen Trục I Trục II: Hình 3.3 Khoảng cách điểm đặt lực trục II Chiều dài moay bánh số 2: lm22 = bw2 = 38.5 (mm), bo2=21(mm) Dựa vào khoảng cách điểm đặt lực vi sai, ta chọn lm22 = 38,5 (mm) Chiều dài moay bánh số 3: Chọn lm23 = bw3+10 = 82.8 (mm) chọn k2 = 40 (mm) l23 = 52 (mm) l22 = 152.5 (mm) l21 = 182.5 (mm) Vẽ biểu đồ momen Các lực tác dụng lên trục II Lực vòng Lực hướng tâm Lực vòng Lực hướng tâm 1337 (N) 487 (N) 3524(N) 1282(N) Hình 3.8 Các lực tác dụng lên trục II Phương trình cân lực: =>2739,7 Vẽ biểu đồ momen Biểu đồ momen: Hình 3.9 Biểu đồ momen Trục II 3.4.4 Chọn đường kính đoạn trục Trục I: d10 = d1 = d11 = 20 (mm) Trục II: d20 = d21 = d22 = d23 = 25 (��) Chọn kiểm nghiệm then a) Chọn then cho vị trí có lắp then trục Chọn then hoa trục I: Sử dụng khớp nối then hoa có thơng số Z x d x D 10 x 21 x 26 đường kính trung bình dtb = 23,5 (mm), h=1,9 b =3 Hình 3.4 Kích thước then hoa Chọn then cho trục I: Tại vị trí lắp bánh răng: tra bảng 9.1a[1] với d1 = 25 (mm) ta chọn then có thơng số sau: b(mm) h(mm) t1(mm) t2(mm) 2,8 rmin(mm) 0,16 rmax(mm) 0,25 Trong đó: + b chiều rộng rãnh then + h chiều cao rãnh then + t1 chiều sâu rãnh then trục + t2 chiều sau rãnh then lỗ + rmin bán kính góc lượn nhỏ + rmax bán kính góc lượn lớn Chọn then cho trục II: Tại vị trí lắp bánh 2: tra bảng 9.1a[1] với d22 = 35 (mm) ta chọn then có thơng số sau: b(mm) 10 h(mm) t1(mm) t2(mm) 2,8 rmin(mm) 0,16 rmax(mm) 0,25 Tại vị trí lắp bánh 3: tra bảng 9.1a[1] với d23 = 35 (mm) ta chọn then có thông số sau: b(mm) 10 h(mm) t1(mm) t2(mm) 3,3 rmin(mm) 0,16 rmax(mm) 0,25 b, kiểm nghiệm then theo độ bền dập độ bền cắt Theo công thức 9.1 9.2[1] ta có: 2T   σ d = dl (h − t ) ≤ [ σ d ]    t   τ = 2T ≤ [ τ ]  c  c dlt b  Trong đó: • [σd] ứng suất dập cho phép • [τc] ứng suất cắt cho phép • lt chiều dài then, theo dãy tiêu chuẩn chọn chung lt với dạng lắp cố định, vật liệu may thép, đặc tính tải trọng tĩnh ta được: [σd] = 150 (MPa) Then thép 45 có ứng suất cắt cho phép: [τc] = 60 (MPa) Do then loại, nằm trục nên ta kiểm tra độ bền then có độ dài ngắn tại vị trí lắp với bánh số 2: 2T2 2.39331   σ d 22 = d l (h − t ) = 25.24.(7 − 4) = 43, 70( MPa) < [σ d ] = 150( MPa)    13 t   τ = 2T2 = 2.39331 = 16,39( MPa ) < [τ ] = 60( MPa)  c  c 22 d 22lt 2b 25.24.8   Thỏa mãn 3.4.5 Kiểm nghiệm trục theo độ bền mỏi Kết cấu trục đảm bảo an toàn hệ số an toàn tại tiết diện nguy hiểm thỏa mãn điều kiện sau: Sj = Sσ j Sτ j Sσ2 j Sτ2j ≥ [S ] Trong đó: • [s] – Hệ số an tồn cho phộp: [s] = 1,5 ữ 2,5 ã sj, sj hệ số an toàn xét riêng ứng suất pháp hệ số an toàn xét riêng ứng suất tiếp Theo công thức 10.20[1] 10.21[1] ta có: Sσ j = σ −1 Kσ djσ aj + ψ σ σ mj Sτ j = τ −1 Kτ djτ aj + ψ ττ mj Trong đó: • σ−1, τ−1 giới hạn mỏi mỏi xoắn ứng với chu kỳ đối xứng σ−1 = 0,436 σb (do vật liệu thép cacbon); τ−1 = 0,58 σ−1 Ta có thép 45, σb = 600 (MPa) nên: σ−1 = 0,436 σb = 0,436 600 = 261,6 (MPa) τ−1 = 0,58 σ−1 = 0,58 261,6 = 151,73 (MPa) • σaj, σmj, τaj, τmj – Biên độ trị số trung bình ứng suất pháp ứng suất tiếp tại tiết diện j: σ mj = 0;σ aj = MJ WJ MJ WJ tổng momen uốn momen cản uốn tại tiết diện j τ aj = τ mj = Tj 2W0 j (Do trục quay chiều, ứng suất xoắn thay đổi theo chu kỳ mạch động) W0 j momen cản xoắn • ψσ, ψτ – Hệ số kể đến ảnh hưởng trị số ứng suất trung bình đến độ bền mỏi tra bảng 10.7[1] với σb = 600 Mpa được: ψ σ = 0,05 ψτ = • Kσdj, Kτdj – Hệ số xác định theo công thức: Kσ dj Kτ dj Kσ + Kx −1 εσ = Ky Kτ + K x −1 ετ = Ky - Kx – Hệ số tập trung ứng suất trạng thái bề mặt Tra bảng 10.8[1], với phương pháp tiện có Ra = 2,5 … 0,63 ta được: Kx = 1,06 - Ky – Hệ số tăng bền bề mặt trục, vì không tăng bền nên ta lấy Ky=1 - Kσ, Kτ – Hệ số tập trung ứng suất thực tế chịu uốn xoắn: Tra bảng 10.12Tr197[1] với σb = 600 (MPa), ta Kσ = 1,46; Kτ = 1,54 - εσ, ετ – Hệ số kể đến kích thước tiết diện trục đến giới hạn mỏi Từ biểu đồ momen, ta thấy tiết diện cần kiểm nghiệm độ mỏi : tiết diện lắp lắp bánh trục I tiết diện lắp bánh trục II 3.4.6 Chọn kiểm nghiệm ổ lăn Chọn loại ổ lăn Do cặp bánh ăn khớp bánh trụ thẳng nên ta chọn loại ổ lăn ổ bi đỡ dãy Chọn kích thước ổ Hình 3.1: Các kích thước ổ bi dãy theo GOST 8338-75 Trục I có đường kính d = 20 mm nên ta chọn ổ bi đỡ dãy cỡ trung kí hiệu 304 dựa vào bảng (P2.7) [1]: Kí hiệu d D B r Đường kính C CO ổ (mm) (mm) (mm) (mm) bi (mm) (kN) (kN) 305 25 62 17 2,0 11,51 17,6 11,60 • Trục II có đường kính d = 25 mm nên ta chọn ổ bi cỡ trung kí hiệu 305 dựa vào bảng (P2.7) [1]: Kí hiệu d D B r Đường kính C CO ổ (mm) (mm) (mm) (mm) bi (mm) (kN) (kN) 307 35 80 21 2,5 14,29 26,2 17,9 • Kiểm nghiệm khả tải động ổ Khả tải động Cd tính theo cơng thức (11.1) [1]: Cd = Q m L • • đó: Q – tải trọng động quy ước (kN) L – tuổi thọ ổ tính triệu vịng quay m – bậc đường cong mỏi thử ổ lăn Trục I: m = ổ bi L = 60 n1.Lh.10-6 = 60.1500.10000 10−6 = 900 (triệu vịng) đó: n – vận tốc vịng bánh răng; Lh – tuổi thọ ổ (giờ) Q = (X.V Fr + Y.Fa)kt.kđ Q10 = Q11 = X.V Fr1 kt kđ = (1.1.487).1.1 = 487 (N) đó: Fr – tải trọng hướng tâm (kN) Fa – tải trọng dọc trục (kN); V – hệ số kể đến vòng quay, vòng quay nên V = 1; kt – hệ số ảnh hưởng nhiệt độ, nhiệt độ θ = 105OC thì kt = kđ – hệ số kể đến đặc tính tải trọng, tải trọng tĩnh, hộp giảm tốc công suất nhỏ thì kđ = X – hệ số tải trọng hướng tâm; Y – hệ số tải trọng dọc trục (Với ổ bi đỡ dãy, tải trọng dọc trục không ảnh hưởng tới khả tải ổ nên X = 1, Y = 0) � Cd = 487 ∛900 = 4701 (N) ≈ 4,7 (kN) < C = 17,6 (kN) Kết luận: ổ lăn trục I thỏa mãn khả tải động Trục II: m = ổ bi L = 60 n2.Lh.10-6 = 60.353.10000 10−6 = 211,8 (triệu vịng) đó: n – vận tốc vịng bánh răng; Lh – tuổi thọ ổ (giờ) Q = (X.V Fr + Y.Fa)kt.kđ Q20 = Q21 = X V(Fr2+Fr3).kt.kđ = (1.1(487+1282)).1.1 = 1769 (N) đó: Fr – tải trọng hướng tâm (kN) Fa – tải trọng dọc trục (kN); V – hệ số kể đến vòng quay, vòng quay nên V = 1; kt – hệ số ảnh hưởng nhiệt độ, nhiệt độ θ = 105OC thì kt = kđ – hệ số kể đến đặc tính tải trọng, tải trọng tĩnh, hộp giảm tốc công suất nhỏ thì kđ = X – hệ số tải trọng hướng tâm; Y – hệ số tải trọng dọc trục (Với ổ bi đỡ dãy, tải trọng dọc trục không ảnh hưởng tới khả tải ổ nên X = 1, Y = 0) � Cd = 1769 ∛212 = 10548 (N) ≈ 10,5 (kN) < C = 26,2 (kN) Kết luận: ổ lăn trục II thỏa mãn khả tải động 3.4 Kiểm nghiệm khả tải tĩnh ổ Để đề phịng biến dạng dư dính bề mặt tiếp xúc, ổ lăn kiểm nghiệm theo khả tải tĩnh theo điều kiện: Qt ≤ CO Trong đó: CO – khả tải tĩnh ổ Qt – tải trọng tĩnh quy ước (kN), ổ bi đỡ thì tính theo cơng thức: Qt = Fr • • • Trục I: Qt10 = Qt11 = Fr1 = 487 (N) ≈ 0,5 (kN) < CO = 11,6 (kN) � Kết luận: ổ lăn trục I thỏa mãn khả tải tĩnh Trục II: Qt20 = Qt21 = Fr2 + Fr3 = 1769 (N) ≈ 1,8 (kN) < CO = 17,9 (kN) � Kết luận: ổ lăn trục II thỏa mãn khả tải tĩnh Gối đỡ trục: Qtvs = Fr4 = 1282 (N) ≈ 1,2 (kN) < CO = 37,5 (kN) � Kết luận: ổ lăn cho gối đỡ trục III thỏa mãn khả tải tĩnh 3.4.7 Vỏ hộp Công dụng: Đảm bảo vị trí tương đối chi tiết phận máy, tiếp nhận tải trọng chi tiết lắp vỏ hộp truyền đến, đựng dầu bôi trơn bảo vệ chi tiết máy tránh bụi bặm - Thành phần bao gồm: thành hộp, gân, mặt bích, gối đỡ… - Chi tiết bản: độ cứng cao, khối lượng nhỏ - Vật liệu làm vỏ: gang xám GX15 – 32 - Phương pháp gia công: đúc Lựa chọn bề mặt lắp ghép: Bề mặt lắp ghép nằm mặt phẳng vng góc với đường tâm trục Hình 3.9 Hộp số 2D TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tính tốn thiế kế hệ dẫn động khí tập – PGS.TS Trịnh Chất, TS Lê Văn Uyển – Hà Nội – 2006 [2] Tính tốn thiế kế hệ dẫn động khí tập – PGS.TS Trịnh Chất, TS Lê Văn Uyển – Hà Nội – 2006 [3] Bài giảng tính tốn thiết kế tơ – Nguyễn Trọng Hoan – Hà Nội – 2007 [4] Bài giảng lý thuyết Ơ tơ – Lưu Văn Tuấn – Hà Nội – 2012 [5] Phương pháp tính tốn nguồn độc lực cho xe ô tô điện – Nguyễn bá Vũ, Lê Văn Nghĩa, Đàm Hoàng Phúc – Hà Nội – 2020 [6] Design of a high-speed transmission for an electric vehicle – Carlos Daniel Pires Rodrigues – Porto – 2018 [7] Selection of Electric Motor Drives for Electric Vehicles – X D Xue, K W E Cheng, and N C Cheung – Hong Kong – 2008 ... Văn Uyển – Hà Nội – 2006 [2] Tính tốn thiế kế hệ dẫn động khí tập – PGS.TS Trịnh Chất, TS Lê Văn Uyển – Hà Nội – 2006 [3] Bài giảng tính tốn thiết kế tơ – Nguyễn Trọng Hoan – Hà Nội – 2007 [4]... thống điều khiển nên nội dung đồ án ta không tìm hiểu sâu CHƯƠNG II TÍNH ĐỘNG HỌC 1.1 Xác định cơng suất Khi tính tốn nguồn động lực xe tơ, ta thường quan tâm tới số vận hành xe: vận tốc cực... hưởng kích thước bánh đến độ bền uốn = Thay số Bánh chủ động (1): Bánh bị động (2): d) Kiểm nghiệm truyền bánh Kiểm nghiệm độ bền tiếp xúc: ≤ [] • : hệ số kể đến tính vật liệu bánh = 274 • : hệ