Trang 1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI--- Họ và tên tác giả luận vănTống Ngọc LinhTÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN Nghiên cứu ảnh hƣởng của các thông số kết cấutới hoạt động củ
TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐỒNG TỐC TRONG HỘP SỐ Ô TÔ
Cấu tạo chung, phân loại và các yêu cầu đối với bộ đồng tốc
Bộ đồng tốc là thiết bị quan trọng trong các hộp số cơ khí điều khiển bằng tay và tự động hóa, giúp các vành răng kết nối với nhau có cùng vận tốc quay Ngoài ra, bộ phận này cũng được ứng dụng trong các hộp số với ly hợp kép, nâng cao hiệu suất truyền động.
Hình 1.1: C u t o c a b ng t c ấ ạ ủ ộ đồ ố 1- Bánh răng quay trơn trên trục; 2 Vành răng và mặt côn ma sát;-
3- Vành đồng tốc với mặt côn và các răng khóa;
4- Moay ơ của bộ đồng tốc có then hoa lắp trên trục;
5- Ống trượt có rãnh chứa nạng gạt; 6 Trục hộp số.- Đối với hộp số ô tô tải, người ta thường bỏ qua các bộ đồng tốc vì lý do kinh tế và tăng độ bền hộp số Nếu không có các bộ đồng tốc thì trục của hộp số sẽ ngắn hơn và nhờ đó độ cứng vững được tăng lên Ngoài ra, nếu bước số nhỏ (khoảng cách giữa các tỷ số truyền lân cận nhỏ) hoặc do khối lƣợng quán tính nhỏ (hộp số xe máy) thì cũng có thể bỏ qua bộ đồng tốc
Bộ đồng tốc, như mô tả trong hình 1.1, có nhiệm vụ sử dụng ma sát để đồng bộ tốc độ giữa trục 6 và bánh răng cần gài 1 Chỉ khi quá trình đồng tốc hoàn tất, ống trượt 5 mới có thể ăn khớp với các bộ phận khác.
Bộ đồng tốc bao gồm hai bộ phận chính: khớp ma sát và khớp răng Khớp ma sát có chức năng đồng đều tốc độ giữa hai chi tiết trong khoảng thời gian từ 0,1 đến 0,3 giây Sau khi tốc độ được đồng bộ, khớp răng mới có thể được cài vào.
1.1.2 Cấu tạo chung và nguyên lý hoạt động c a b ủ ộ đồng tốc a) Thời gian đồng tốc
Quá trình đồng tốc và gài số trong một hộp số 2 cấp (số 1 và số 2) đƣợc mô tả trong sơ đồ nguyên lý ìnhh 1.2
Thời gian đồng tốc chủ yếu phụ thuộc vào khối lượng quán tính của các chi tiết quay trên trục của ly hợp Trong sơ đồ, khối lượng quán tính tương đương của ô tô tại trục thứ cấp của hộp số lớn hơn nhiều so với khối lượng quán tính của ly hợp Bên cạnh đó, khối lượng quán tính của các bánh răng cũng cần được xem xét.
Hình 1.2 mô phỏng quá trình gài số trong hệ thống truyền động, bao gồm các bánh răng cố định trên trục (1, 2, 4, 6) và các bánh răng quay trơn trên trục (3, 5) Hệ thống này còn có ống răng (7), vành răng khóa (8), và vành răng gài số (9), cùng với các bề mặt ma sát (10) Thân của bộ đồng tốc (11) kết hợp với trục sơ cấp (I), trục thứ cấp (II), và trục trung gian (III) để đảm bảo quá trình gài số diễn ra hiệu quả.
Khi xem xét quá trình chuyển từ số 2 về số 1, khối lượng quán tính của các bộ phận liên kết với bánh răng 5 nhỏ hơn nhiều so với khối lượng quán tính của các bộ phận nối với trục thứ cấp Điều này dẫn đến quá trình đồng tốc ép bánh răng 5 quay cùng.
Khi bộ đồng tốc được đưa về vị trí trung gian, ống trượt của bộ đồng tốc quay cùng vận tốc với trục thứ cấp ω II, trong khi bánh răng cần gài 5 quay với vận tốc ω5,0 Lúc này, vận tốc của bánh răng 5 nhỏ hơn vận tốc của trục thứ cấp (ω 5,0 < ωII) Nhiệm vụ của bộ đồng tốc là điều chỉnh để hai bộ phận đạt cùng một tốc độ, giúp khớp trượt ăn khớp với vành răng trên bánh răng số 5 Độ chênh lệch vận tốc cần được khắc phục là rất quan trọng để đảm bảo quá trình chuyển số diễn ra mượt mà.
Quá trình gài số bắt đầu khi lực điều khiển tác động lên ống răng 7, đẩy nó sang phải Khi đó, ống trượt mắc phải khóa 8, khiến các bề mặt ma sát tiếp xúc với nhau Ống răng 7 và bánh răng 5 được nối qua ma sát, làm tăng vận tốc của bánh răng 5 cho đến khi đạt tốc độ của ống răng 7 Khi tốc độ đồng đều, khóa 8 mở, cho phép ống răng 7 trượt vào bánh răng 5 và ăn khớp với vành răng trên Trong quá trình này, sự trượt giữa các bề mặt ma sát sinh ra nhiệt và làm mài mòn chúng.
Thời gian đồng tốc và quy luật thay đổi vận tốc chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác nhau Hình 1.3 minh họa một số quy luật thay đổi vận tốc trong quá trình chuyển số, từ số cao về số thấp ở bên trái và từ số thấp lên số cao ở bên phải Trong quá trình đồng tốc, giả thiết được chấp nhận là vận tốc của trục thứ cấp giữ nguyên (ωII = const).
Hình 1.3: Quy luật thay đổi vậ ốc khi chuyển t n s ố
Khi chuyển từ số cao về số thấp, vận tốc của bánh răng cần gài 5 nhỏ hơn vận tốc của trục thứ cấp, dẫn đến quá trình đồng tốc bắt đầu từ thời điểm t0 Khoảng thời gian từ t0 đến t1 thể hiện độ chậm tác dụng trong hệ thống điều khiển Từ t1, vận tốc ω5 có thể tăng theo các quy luật khác nhau cho đến khi đạt ω5 = ωII tại thời điểm t1 Thời gian từ t1 đến t2 được gọi là thời gian đồng tốc tR = t2 - t1.
Quá trình chuyển đổi từ số thấp lên số cao diễn ra tương tự như quá trình chuyển từ số cao về số thấp Khi bắt đầu quá trình đồng tốc, vận tốc ban đầu của bánh răng 3, ω3,0, lớn hơn vận tốc của trục thứ cấp, dẫn đến việc giảm vận tốc của bánh răng 3 từ ω3,0 cho đến khi đạt được ω3 = ωII.
(hình phải) Thời gian đồng tốc cho trường hợp này nhỏ hơn thời gian đồng tốc khi chuyển từ số cao về số thấp
Thời gian đồng tốc cho hộp số ô tô con phải nhỏ hơn 0,3 giây, trong khi đối với hộp số ô tô tải, thời gian này không được vượt quá 0,5 giây Đối với hộp số có chia trước dẫn động điều khiển bằng khí nén, thời gian đồng tốc tối đa là 0,15 giây Hơn nữa, thời gian đồng tốc trong hộp số phụ của ô tô tải, điều khiển khí nén, được giới hạn ở mức 0,2 giây.
Để giảm thời gian đồng tốc, cần tăng cường lực điều khiển Hình 1 mô tả rõ ràng ảnh hưởng của lực điều khiển đến thời gian chuyển số ở các cấp số khác nhau.
Hình 1.4: Ảnh hưởng c a lủ ực điều khi n tể ới thời gian đồng t c ố
14 b) Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bộ đồng tốc
Bộ đồng tốc bao gồm moay ơ 4 được lắp cố định trên trục bằng then hoa, với vành ngoài có các răng khớp với vành răng trong của ống gài 8, như mô tả chi tiết trong hình 1.5.
Hình 1.5: C u t o chi tiấ ạ ết bộ đồ ng tốc kiểu Borg-Warner (ZF)
TÍNH TOÁN VÀ KHẢO SÁT BỘ ĐỒNG TỐC
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ KẾT CẤU TỚI HOẠT ĐỘNG CỦA BỘ ĐỒNG TỐC QUÁN TÍNH TRÊN Ô TÔ
Mô phỏng và tính toán quá trình đồng tốc trong trường hợp mô men ma sát
Chương 2 TÍNH TOÁN VÀ KHẢO SÁT Ộ ĐỒ: B NG T C Ố
2.1 Các thông số cơ bản và phương pháp tính toán
2.1.1 Các thông số ậ v n hành cơ b ản của b ộ đồng tốc quán tính trong hộp s ố ô tô
Trong giai đoạn thứ hai, cơ cấu hãm được mở khóa, trở về vị trí ban đầu so với khớp gài Cuối cùng, ở giai đoạn thứ ba, khớp răng trượt vào vị trí ăn khớp với các răng của bánh răng cần gài số.
Sơ đồ tính toán bộ đồng tốc quán tính đƣợc thể hiện trên hình 2.1a
Hình 2.1: Sơ đồ tính toán bộ đồ ng tốc quán tính
J n - mô men quán tính của các khối lượng phần chủ động quy về bánh răng cần gài;
J a - mô men quán tính của các khối lượng phần bị động quy về trục thứ cấp;
Q- Lực điều khiển do người lái tạo nên; i - vận tốc góc của trục thứ cấp ở tay số i.
Để đạt được trạng thái đồng tốc, các bề mặt ma sát cần tạo ra mô men ma sát M T Trong quá trình này, ly hợp vẫn ở trạng thái mở, dẫn đến việc áp dụng phương trình n T.
Lấy tích phân biểu thức trên ta có:
Trong đó: t c là thời gian đồng tốc
Giả thiết rằng, mô men ma sát không thay đổi trong quá trình đồng tốc ta có:
; với e là vận tốc góc của động cơ; ihi là tỷ số truyền ở tay số i và ihi+1 là tỷ số truyền ở tay số i+1.
Thay các giá trị vận tốc góc vào (2.3) ta đƣợc:
(2.4) Để tính toán mô men ma sát trên các bề mặt côn, ta sử dụng sơ đồ nhƣ trên hình 2.1b
Mô men ma sát đƣợc tính nhƣ sau: M T F r n c (2.5)
Trong công thức trên: là hệ số ma sát; r c là bán kính đặt lực ma sát
Theo sơ đồ ta có: Q F n sin , nên: sin c
Kết hợp các biểu thức (2.4) (2.và 6) ta đƣợc:
Thời gian đồng tốc t c tỷ lệ nghịch với lực điều khiển Q, theo biểu thức 2.7 Trong thực tế, t c thường không vượt quá 2 giây Đối với ô tô con, thời gian này dao động từ 0,3 đến 1 giây, trong khi đối với ô tô tải, t c có thể từ 0,5 đến 2 giây.
Giá trị lớn của t c tương ứng với các tay số thấp.
Vận tốc góc của động cơ khi tính toán có thể lấy theo Bảng 1
B ng 2.1: ả Giá trị ậ ố v n t c góc động cơ
Chuy n s ể ố Ô tô có động cơ xăng Ô tô tải, động cơ diesel Ô tô con Ô tô tải
N và M là vận tốc góc của trục động cơ tương ứng với công suất và mô men xo n cắ ực đại.
Các thông số khác đƣợc lựa chọn trong khoảng sau:
2.1.2.1 Tính toán thời gian đồng tốc với giả thiết mô men ma sát không đổi
Sơ đồ trong hình 2 được áp dụng để tính thời gian đồng tốc t2.c và mức suy giảm vận tốc chuyển động ΔVa khi chuyển từ số 1 lên số 2 Các thông số tính toán bao gồm trọng lượng ô tô Ga và hệ số cản chuyển động ψ Để thực hiện các phép tính này, giả thiết rằng mô men ma sát giữ nguyên trong suốt quá trình đồng tốc.
Góc khóa cực đại (hình 2 ) của chi tiết khóa: 2 sin r c tg r
Để mô phỏng quá trình đồng tốc, chúng ta sử dụng sơ đồ hộp số 2 trục với khối lượng quán tính J1' trên trục sơ cấp Mô men quán tính từ trục thứ cấp tới bánh xe và phần khối lượng chuyển động tịnh tiến được gọi là Ja tại trục thứ cấp Khi gài số, mô men ma sát sinh ra trên các bề mặt côn là MT, trong khi mô men cản chuyển động quy về trục thứ cấp của hộ số p là Mψ.
Theo sơ đồ trên hình 3 ta có hệ phương trình vi phân mô tả quá trình đồng tốc 2. nhƣ sau:
Hình 2.2: Sơ đồ tính toán bộ đồ ng t c ố
Hình 2.3: Sơ đồ mô phỏng quá trình chuyển s ố
Mô men quán tính J1 và J1'' (hình 2.3) đại diện cho phần bị động của ly hợp và hộp số, quy tương ứng về đĩa bị động của ly hợp và bánh răng gài số.
Ja – mô men quán tính của khối lƣợng chuyển động tịnh tiến của ô tô quy về trục thứ cấp của hộp số:
(2.9) Với rk – bán kính bánh xe; g – gia tốc trọng trường; i0 – tỷ số truyền của truyền lực chính
M - Mô men cản chuyển động quy về trục thứ cấp của hộp số:
Trong đó: - hệ số cản chuyển động; T - hiệu suất của hệ thống truyền lực.
MT – mô men ma sát trên các bề mặt ma sát của bộ đồng tốc:
(2.11) Trong công thức trên: P p là lực tác dụng lên cần số, K p là tỷ số truyền của cần số, rc - bán kính đặt lực ma sát
Giải hệ phương trình 2.8 ta được:
Với các giá trị vận tốc góc ban đầu là 0 và a, quá trình đồng tốc bắt đầu tại thời điểm này (xem hình 4) Khi ô tô tăng tốc và chuyển lên số cao hơn, vận tốc góc 1 sẽ tăng lên.
Giải hệ phương trình trên ta được:
Vận tốc góc ở cuối quá trình đồng tốc:
Với 1k và ak là các giá trị vận tốc góc 1 và a tại thời điểm kết thúc quá trình đồng tốc (xem hình 2.4)
Độ suy giảm vận tốc trong quá trình đồng tốc:
Đồ thị biến thiên vận tốc góc trong quá trình đồng tốc được mô tả trong hình 2.4 Quá trình đồng tốc bắt đầu với các vận tốc góc 10 và a0, và kết thúc khi 1k = ak Thời gian của quá trình đồng tốc là tc.
Với các chế độ tải trọng và hệ số cản của đường khác nhau người ta Va và tc biến thiên theo quy luật nhƣ trên hình 2.5
Hình 2.4: Biến thiên vậ ốc góc n t trong quá trình đồng t c ố
2.1.2.2 Tính toán quá trình đồng tốc với giả thiết vận tốc chuyển động không đổi
Khi ô tô di chuyển trên đường với hệ số cản nhỏ hơn 0,15, vận tốc của ô tô có thể được coi là không thay đổi trong quá trình đồng tốc (Va = const) Tính toán được thực hiện cho trường hợp chuyển từ số 2 lên số 3.
Với giả thiết V a = const, quá trình đồng tốc được mô tả bằng một phương trình duy nhất:
Gia tốc góc có thể đƣợc tính từ các giá trị vận tốc góc ở đầu và cuối quá trình, nên:
Mô men ma sát đƣợc tính theo công thức: sin
Hình 2.5: Ảnh hưởng c a h s c n ủ ệ ố ả của đường t i thớ ời gian đồng t c tố c và độ suy gi m v n t c chuyả ậ ố ển động của ô tô V a ở các mứ c t ải khác nhau
(đường nét đứt tương ứng với ô tô chở đầy tải; đường liền tương ứng với ô tô không tải)
Với các biểu thức trên, ta có thể xác định đƣợc các thông số vận hành cơ bản của bộ đồng tốc trong hộp số ô tô
2.2 Mô phỏng và tính toán bộ đồng tốc
2.2.1 Mô phỏng và tính toán bộ đồ ng t c trong ố trường hợp mô men ma sát thay đổi
Trong quá trình đồng tốc, mô men ma sát M T tăng từ 0 đến giá trị cực đại i theo quy luật không xác định, phụ thuộc vào tác động của người điều khiển Để mô phỏng quá trình chuyển số, người ta thường đưa ra giả thuyết về quy luật biến thiên của mô men ma sát theo thời gian Trong trường hợp gài số nhanh, quy luật biến thiên của mô men ma sát đồng tốc có thể được mô tả một cách tương đối chính xác bằng phương trình cụ thể.
Trong đó: MTmax- giá trị ực đạ ủa mô men đồ c i c ng t c; t- ố thời gian tăng mô men tới giá tr ực đại; kị c - h s bi u th tệ ố ể ị ốc đ gài sốộ
Vì , khi đó MT = 0,95.MTmax, nên có thể coi một cách gần đúng là và
Giải các phương trình vi phân 2.8 theo biểu thức 2.21 giúp xác định các thông số mô tả hoạt động của băng tủ đồ ốc, bao gồm mô men ma sát, vận tốc góc của phần chầ ủ động và bị động, cùng với thời gian đồng tốc Nghiên cứu này cũng khảo sát ảnh hưởng qua lại giữa các thông số này.
2.2.2 Mô phỏng và tính toán bộ đồ ng t bốc ằng mô hình dao động xo n ắ
Hệ thống truyền lực có chức năng truyền mô men xoắn từ động cơ tới các bánh xe chủ động Do tính đàn hồi của hệ thống, sự thay đổi của mô men xoắn có thể gây ra dao động trong toàn bộ hệ thống Để mô phỏng hệ thống truyền lực một cách đầy đủ, người ta thường sử dụng mô hình dao động xoắn.
2.2.2.1 Phương pháp mô phỏng Để mô phỏng hoạt động của HTTL (trong đó có bộ đồ ng t c) bố ằng mô hình dao động xoắn, người ta mô tả ừ t ng ph n t cầ ử ủa nó thông qua các thông số đặc trưng
Mô men quán tính I (kg.m²), độ ứng C (N/m) và hệ số cản nhờ ma sát trong vật liệu là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến dao động Thay vì sử dụng độ ứng C, có thể áp dụng hệ số đàn hồi e (m/N) để mô tả tính đàn hồi của hệ thống.