Đồ án: kết cấu và tính toán ô tô - TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỘP SỐ

CÔNG DỤNG : Hộp số dùng để thay đổi số vòng quay và momen của động cơ truyền đến các bánh xe chủ động cả về trị số và hướng , cho phù hợp với điều kiện làm việc luôn luôn thay đổi của ô

Đồ án môn học Kết cấu và tính toán ô tô



Đồ án: kết cấu và tính toán ô tô

Đồ án môn học Kết cấu và tính toán ô tô

MỤC LỤC

Trang LỜI NÓI ĐẦU 2

1.CÔNG DỤNG , YÊU CẦU , PHÂN LOẠI .3

2.CHỌN LOẠI HỘP SỐ VÀ SỐ TAY SỐ 4

2.1.CHỌN LOẠI HỘP SỐ: 4

2.2 XÁC ĐỊNH TỈ SỐ TRUYỀN ,SỐ CẤP 5

2.3 SƠ ĐỒ ĐỘNG CỦA HỘP SỐ 8

2.4 XÁC ĐỊNH TỶ SỐ TRUYỀN CÁC TAY SỐ TRUNG GIAN 10

3 XÁC ĐỊNH CÁC KÍCH THƯỚC CHÍNH CỦA HỘP SỐ 11

3.1 CÁC KÍCH THƯỚC CƠ BẢN CỦA TRỤC 11

3.1.1 Khoảng cách giữa các trục của hộp số: 11

3.1.2.Kích thước chiều trục của hộp số: 11

3.1.3 Đường kính trục của hộp số: 12

3.1.4 Kích thước và loại ổ trục: 12

3.2 CÁC THÔNG SỐ CHÍNH CỦA BÁNH RĂNG: 13

3.2.1.Số răng tổng của các cặp bánh răng: 14

3.2.2 Xác định số răng của các bánh răng: 14

3.2.3 Mômen truyền đến trục tại các bánh răng của từng tay số: 18

3.2.4 Lực tác dụng lên các bánh răng: 19

3.2.5 Tính ứng suất tiếp xúc 22

3.2.6 Tính sức bền của trục 23

4 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÁC CHI TIẾT VÀ CÁC CỤM CỦA HỘP SỐ 26

4.1 TÍNH ĐƯỜNG KÍNH TRỤC VÀ KIỂM TRA ĐỘ CỨNG VỮNG 26

4.1.1 Chọn sơ bộ kích thước trục: 26

4.1.2 Tính trục theo cứng vững 26

4.2 TÍNH TOÁN ĐỒNG TỐC 31

4.2.1 Nhiệm vụ tính toán: 31

4.2.2 Sơ đồ tính đồng tốc 31

4.2.3 Trình tự tính toán đồng tốc 32

4.2.4 Tính toán kiểm tra: 36

4.2.5 Xác định góc vát bề mặt hãm () của bộ phận khóa: 37

TÀI LIỆU THAM KHẢO 38

Đồ án môn học Kết cấu và tính toán ô tô

LỜI NÓI ĐẦU

Ô tô máy kéo là phượng tiện sản xuất và kinh doanh trong sinh hoạt, không thể thiếu được trong đời sống hiện nay Cùng với sự tiến bộ chung của khoa học Ngành ô

tô cũng có những bước phát triển mới với những thành quả quan trọng Những biến đổi mà đòi hỏi phải có những nhận thức mới sâu rộng, những vấn đề đó có liên quan đến công nghệ ô tô

Tuy vậy muốn tiếp thu những kiến thức mới này thì phải nắm vững những kiến thức cơ bản nhất Những kiến thức này sẽ làm nền tản cho bước phát triẻn tiếp theo

Vì vậy đồ án kết cấu và tính toán ô tô là một bước cũng cố và phát triển những hiểu biết cơ bản có từ những môn học có liên quan

Lần đầu tiên làm quen với việc tính toán thiết kế nên có rất nhièu khó khăn phức tạp Với những nhận thức còn hạn chế về nhiều mặt nên quá trình làm đồ án em còn vướng phải những thiếu sót, rất mong sự quan tâm giúp đỡ của các thầy trong bộ môn

Để hoàn thành đồ án này em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của thầy LÊ VĂN TỤY các thầy trong bộ môn và các bạn trong lớp

Sinh viên thực hiện

Đinh Tuấn Vũ

1 CÔNG DỤNG , YÊU CẦU , PHÂN LOẠI

1.1 CÔNG DỤNG :

Hộp số dùng để thay đổi số vòng quay và momen của động cơ truyền đến các bánh xe chủ động (cả về trị số và hướng) , cho phù hợp với điều kiện làm việc luôn luôn thay đổi của ô tô máy kéo , mà tự thân động cơ không đáp ưng được ,do:

Đồ án môn học Kết cấu và tính toán ô tô

- Hệ số thích ứng mômen thấp (K= 1,05 1,25)

- Số vòng quay ổn định tối thiểu tương đối cao

- Chiều quay không tự thay đổi được

Ngoài ra, hộp số còn dùng để :

- Tách lâu dài động cơ khỏi hệ thống truyền kực khi cần thiết ,như khi khởi động động cơ , khi dừng xe cho động cơ chạy không tải , khi cho xe chạy theo quán tính

- Dẫn động các bộ phận công tác trên các xe chuyên dùng , như xe có tời ,kéo ,xe

tự đổ ,cần cẩu và các thiết bị khác

1.2 YÊU CẦU

- Có tỷ số truyền và số lượng tay số thích hợp , đảm bảo được chất lượng dộng lực

và có tính kinh tế nhiên liệu cần thiết cho ô tô máy kéo

- Làm việc êm dịu ,chuyển số nhẹ nhàng thuận tiện , không va đạp

- Có vị trí trung gian để có thể cắt lâu dài động cơ khỏiû hệ thống truyền lực

- Kết cấu đơn giản , làm việc tin cậy , bền vững

- Hiệu suất cao ,kích thước khối lượng nhỏ , giá thành rẻ

1.3 PHÂN LOẠI

- Theo phương pháp điều khiển chia ra các loại : điều khiển bằng tay, điều khiển tự động và bán tự động

- Theo số cấp phân ra các loại:3,4,5 và nhiều cấp

- Theo sơ đồ động ,phân ra: Hộp số với các trục cố định và hộp số hành tinh

- Theo số lượng phần tử điều khiển càn thiết để gài một số truyền ,phân ra: một,hai,hay ba phần tử điều khiển Số lượng phần tử điều khiển lớ hơn một thường dùng trong hộp số nhiều cấp

- Theo số lượng dòng lực , phân ra : một ,hai, hay ba dòng.Tăng số lượng dòng lực làm phức tạp kết cấu Tuy vậy cho phép giảm tải trọng tác dụng lên các báng răng,trục va ổ trục cũng nhue kích thước của chúng

2.CHỌN LOẠI HỘP SỐ VÀ SỐ TAY SỐ

2.1.CHỌN LOẠI HỘP SỐ:

Trên ô tô hiện nay, sử dụng chủ yếu các loại hộp số có trục cố định, điều khiển bằng tay Loại hộp số này có ưu điểm là kết cấu đơn giản, hiệu xuất cao (0,96  0,98), kích thước và trọng lượng nhỏ

Trong các loại hộp số trên, hộp số ba trục cố định, có trục sơ cấp và trục thứ cấp đồng tâm được sử dụng phổ biến nhất vì có ưu điểm là: có khả năng tạo số truyền thẳng bằng cách nối tiếp các trục sơ cấp và thứ cấp Khi làm việc ở số truyền thẳng, các bánh răng, ổ trục và trục trung gian hầu như được giảm tải hoàn toàn nên giảm được mài mòn, tiếng ồn và mất mát công suất

Đồ án môn học Kết cấu và tính toán ô tô

Ở các số truyền khác, mô men truyền qua hai bánh răng, do đó có thể tạo được tỷ số truyền lớn với kích thước khá nhỏ gọn Nhờ đó giảm được trọng lượng toàn bộ của ô

tô

Tuy nhiên loại hộp số này có nhược điểm là:

- Hiệu suất giảm ở các tay số trung gian

- Ổ bi gối đỡ trước trục thứ cấp, do bố trí trong lỗ ở phần bánh răng công xôn của trục sơ cấp, nên làm việc căng thẳng vì kích thước bị hạn chế bởi điều kiện kết cấu

Hình 2.1 Sơ đồ động hộp số ba trục Ngoài hộp số có ba trục cố định, có trục sơ cấp và thứ cấp đồng tâm còn có hộp

số có hai trục cố định, loại hộp số này có ưu điểm là:

- Kết cấu đơn giản, làm việc êm dịu và có hiệu suất cao ở các tay số trung gian

- Dễ bố trí và đơn giản được kết cấu, hệ thống truyền lực khi xe đặt động cơ gần cầu chủ động

Tuy vậy loại hộp số có hai trục cố định có nhược điểm là:

- Do không có số truyền thẳng, vì thế các bánh răng ổ trục không được giảm tải

ở số truyền cao, làm tăng mài mòn các chi tiết, đồng thời gây tiếng ồn

- Giá trị tỷ số truyền tay số thấp bị hạn chế, muốn khắc phục phải giảm tỷ số truyền của tay số cao nhất và tăng tỷ số truyền lực chính io Với đặc điểm trên cho nên hộp số hai trục thường được sử dụng trên các ô tô du lịch và thể thao có động cơ bố trí cạnh cầu chủ động hoặc trên máy kéo có hộp số bố trí chung trong cùng một vỏ với truyền lực chính

Đồ án môn học Kết cấu và tính toán ô tô

Hình 2.1 Sơ đồ động hộp số hai trục

Ô tô để thiết kế là loại ô tô vận tải dùng để vận chuyển hàng hoá, làm việc ở điều kiện thường xuyên thay đổi tải, có tỷ số truyền lớn nên ta chọn hộp số ba trục cố định,

có trục sơ cấp và thứ cấp đồng tâm vì: hộp số này có ưu điểm nổi bậc là trục sơ cấp và thứ cấp đồng tâm cho nên có thể làm số truyền thẳng, trong trường hợp này hiệu suất bằng một Đây là điều quan trọng đối với ô tô vận tải vì thời gian ô tô vận tải làm việc

ở số truyền thẳng chiếm tỉ lệ cao Mặc khác khi ô tô chạy trên đoạn đường bằng phẳng

có thể gài số truyền thẳng, do đó thời gian sử dụng tay số trung gian sẽ it đi Vì vậy tuổi thọ ô tô được kéo dài

2.2 XÁC ĐỊNH TỶ SỐ TRUYỀN , SỐ CẤP

2.2.1 Xác dịnh tỷ số truyền

Tỷ số truyền được xác định theo [ 6 ]

-Khả năng thắng sức cản lớn nhất trong điều kiện cho trước

ih1 

t maî

bx

i Me

r G





0 max

Trong đó : Theo đề bài cho trước

max= 0,3 : hệ số cản lớn nhất của đường

G = 155000(N) :Trọng lượng toàn bộ xe

r bx= 0,5 (m) : bán kính bánh xe

max

Me = 617 (Nm) :Mômen cực đại

i0 = 6 : Tỉ số truyền lực chính

Theo [6] : ta có  t= 0,75 0,85 chọn  t=0,8

Vậy : ih1 

8 , 0 6 617

5 , 0 155000

3 , 0

= 7,8

- Khả năng tạo được lực cản lớn nhất theo điều kiện bám

ih1 

t

bx

i Me

r G







0 max

Trong đó : Theo đề cho

G = (70.155000)/100=108500(N) :Trọng lượng bám của xe

r bx = 0,5(m) :bán kính bánh xe

Memax = 617(Nm) : Mômen cực đại

i0 = 6 : Tỉ số truyền lự chính

Theo [6]:ta có  t= 0,750,85 chọn  t=0,8

Đồ án môn học Kết cấu và tính toán ô tô

=0,70,8 chọn =0,75 Vậy : ih1 

8 , 0 6 617

5 , 0 75 , 0 108500

= 13,7 -Khả năng chuyển động với tốc dộ ổn định tối thiểu để có thể cơ động trong điều

kiện địa hình chật hẹp

ih1 

p n

bx e

i i V

r n

377 , 0

0 min

Trong đó : V nmin :tốc độ chuyển động ổn định nhỏ nhất

V nmin 45 (km/h) chon V nmin=5 (km/h)

n emin: vòng quay ổn dịnh tối thiểu của động cơ

Đốivới động cơ điêzel n emin=350700(v/ph) chọn n emin=500(v/ph)

Vậy: ih1 

1 6 5

5 , 0 500 377 , 0

=3,14 Theo 3 điều kiện trên : 7,8i h1 13,7

Ta chọn i h1 8,5

2.2.2 Số cấp của hộp số

Hộp số của ô tô thuyết kế là loại ô tô tải,vì vậy để nâng cao tính chất động lực học của

ô tô, nâng cao hiệu suất của hệ thống truyền lực nên chọn được tỷ số truyền ở tay số

cao nhất của hộp số là số truyền thẳng nghĩa là ihn= 1

Số cấp của hộp số (n) được xác định phụ thuôc vào:

- Chủng loại và công dụng của ô tô

- Vào giá trị khoảng tỷ số truyền Ki

Trong đó: ih1 là tỷ số truyền tay số một của hộp số

ihn là tỷ số truyền tay số cao nhất của hộp số

Nói chung, tăng số cấp hộp số sẽ tăng được mức độ sử dụng công suất động cơ,

tăng tính kinh tế nhiên liệu, tốc độ trung bình và bởi vậy, tăng năng suất và giảm giá

thành vận chuyển.Tuy vậy tăng số cấp sẽ làm phức tạp kết cấu và quá trình điều khiển,

tăng kích thước, và giá thành hộp số Đối với ô tô tải số cấp hộp số có thể từ n = 6  22

ừng với Ki = 5  25 Ki càng lớn số cấp càng tăng Sau đây là bảng số liệu thống kê của

ô tô tải theo giá trị khoảng truyền Ki

Bảng 2.1 Bảng giá trị tay số của ô tô tải theo khoảng tỷ số truyền Ki

Khoảngsố

truyền Ki

5,78,5 5,78,5 5,78,5 5,78,5 5,78,5 5,78,5

Tuy nhiên hiện nay có su hướng tăng số cấp và khoảng tỷ số truyền khi tăng

khối lượng ô tô, đặc biệt là đối với đoàn xe kéo moóc, để bù lại cho sự giảm công suất

Đồ án môn học Kết cấu và tính toán ô tô

cho phép sử dụng hiệu quả hơn công suất động cơ khi ô tô làm việc với các mức tải và điều kiện đường xá khác nhau Đối vớicác ô tô này, trong vùng các số hay sử dụng nhất, khoảng cách giữa tỷ số truyền giữa các tay số kề nhau

tiêu hao nhiên liệu và giảm chất lượng động lực học của ô tô và khó chuyển tay số Khoảng cách nhỏ quá lại làm cho người lái khó khăn trong vấn đề lựa chọn tay số thích hợp Ở các tay số ít sử dụng hơn, khoảng cách giữa các số có thể tăng lên Tuy vậy không nên quá 1,61,7 để bảo đảm khả năng chuyển số

Kết hợp hai điều kiện trên và giả thuyết dãy tỷ số truyền bố trí theo cấp số nhân,

có thể xác định sơ bộ:

) lg(

) lg(

1 , i ti

i

q

K

 n- 1 

) lg(

) lg(

1 , i ci

i

q

K

Ở đây qti,i+1 khoảng cách tỷ số truyền hai số liên tiếp ở vùng số thấp

chọn qci,i+1 = 1,4 ; n: số cấp

Tỷ số truyền thấp nhất i1 = 8,5

Tỷ số truyền ở tay số cao nhất ihn = 1

Ki= i1 /ihn = 8,5/ 1 =8.5

thay vào công thức 2.2 ta có:

) 7 , 1 lg(

) 5 , 8 lg(

 n- 1 

) 4 , 1 lg(

) 5 , 8 lg(

23 , 0

929 , 0  n- 1 

15 , 0

929 , 0

 5,04 n  7,2

Vậy ta chọn hộp số có 5 cấp (n=5)

Do ô tô chạy có khi cần phải quay đầu vì vậy ta chọn thêm một tay số lùi để thuân lợi cho việc điều khiển ô tô

2.3 SƠ ĐỒ ĐỘNG CỦA HỘP SỐ

Sơ đồ động của các hộp số ba trục có trục thứ cấp như nhau, khác nhau chủ yếu

ở số lượng các cặp bánh răng luôn luôn ăn khớp và cách bố trí số lùi

Ở hầu hết các tay số đều sử dụng cặp bánh răng nghiêng thường xuyên ăn khớp

Để gài số, có thể dùng ống gài hoặc đồng tốc Riêng đối với các bánh răng số một và số lùi có thể dùng các phương án sau: Bánh răng số một và số lùi luôn ăn khớp thường sử dụng trong trường hợp thời gian làm việc ở số một và số lùi khá lớn

Ưu điểm: mặt dầu các vành răng không bị ăn mòn, hành trình của nạng chuyển

số nhỏ Nhược điểm: cần đặt tự do trên trục thứ cấp một bánh răng số lùi kích thước khá lớn, do đó làm tăng số lượng các bánh răng và mô men quán tính các chi tiết quay, bởi vậy tăng tải trọng tác dụng lên các đồng tốc

Đồ án môn học Kết cấu và tính toán ô tô

Ngoài ra còn có cách bố trí bánh răng số lùi không luôn luôn ăn khớp, cả bánh răng số lùi và số một không luôn luôn ăn khớp Tuy nhiên vẫn còn có hai phương án không cần có bánh răng số lùi đặt riêng trên trục thứ cấp Để gài số lùi và số một dùng bánh răng di trượt Bánh răng trung gian(đặt trên trục số lùi) có thể làm một hay hai vành răng Phương án một vành răng có kết cấu đơn giản hơn, tuy vậy điều kiện làm việc của bánh răng không có lợi, chụi ứng suất uốn thay đổi theo chu trình đối xứng Phương án hai điều kiện ứng suất thuận lợi hơn: thay đổi theo chu trình mạch động, cho phép thực hiện số lùi với tỷ số truyền lớn hơn

Chọn phương án bố trí số lùi là cả bánh răng số một và số lùi đều không luôn luôn ăn khớp Vì có đặc điểm gài số lùi rất dễ dàng, chỉ cần dịch chuyển bánh răng số I

Hình 2.3 Sơ đồ bố trí số lùi trên ô tô thiết kế

Bánh răng các tay số thấp(như số một và số lùi) chụi lực lớn thời gian làm việc

ít hơn, nên bố trí sát gối đỡ sau Bánh răng tay số cao thời gian làm việc nhiều,bố trí ở khoảng giữa trục, là vùng có góc xoay nhỏ nhất, nhờ đó điều kiện ăn khớp của các bánh răng tốt hơn nên giảm được tiếng ồn và mài mòn

Hầu hết các tay số đều dùng bánh răng nghiêng và đồng tốc Các tay số một và

số lùi có thể có răng thẳng gài băng phương pháp duy trượt Mặt khác ở các tay số 2,3,4,5 khi sang số vì có tốc độ lớn nên mặt dù đã cắt bộ ly hợp song do quán tính nên các bánh răng còn quay với tốc độ khác nhau, nếu gài vào sẽ sinh ra lực va đập Để khắc phục hiện tượng trên và đơn giản hóa thao tác cho người lái nên trên hộp số có bố trí hai bộ đồng tốc để gài số ở số hai và số ba, số bốn và số năm Để khi hai bánh răng chưa đồng tốc thì cơ cấu này không cho chúng gài vào nhau bằng cách tạo ra một lực cản chống lại lực của tay người lái tác dụng lên cần số Dùng mô men ma sát giữa các

bề mặt côn tiếp xúc để khắc phục mô men quán tính, các bánh răng dần dần đồng đều tốc độ và lực cản nêu trên dần dần bị triệt tiêu, lúc đó lực của tay người lái đủ thắng định vị lò xo bi, gạt các bánh răng ăn khớp với nhau một cách êm dịu

z1

z2 z3

z4

z1

z5

z2

z3

z5

z4

za

5 4

z4’

z1’

zL’

L

z1

z3’

Đồ án môn học Kết cấu và tính toán ô tô

Hình 2.3 Sơ đồ động của hộp số thiết kế

2.4 XÁC ĐỊNH TỶ SỐ TRUYỀN CÁC TAY SỐ TRUNG GIAN

Chọn hệ thống tỷ số truyền của các số trung gian trong hộp số theo cấp số nhân

- Cấp số nhân hiện nay được sử dụng rộng rải để chọn hệ thống tỷ số truyền của

ô tô cần thiết kế

- Dựa trên cơ sở dụng công suất trung bình của động cơ khi làm việc ở chế độ toàn tải không thay đổi trong quá trình gia tốc của ô tô

- Ô tô thông thường hay sử dụng ở số cao của hộp số, nhưng ở khu vực này thì

số lượng tỷ số truyền ít so với số lượng tỷ số truyền có được ở số thấp, đây là một nhược điểm khi chọn hệ thống tỷ số truyền cho các số trung gian theo cấp số nhân

- Đối với hộp số có cấp thì lượng số truyền bị hạn chế, do đó sẽ hạn chế khả năng tăng vận tốc trung bình của ô tô và hệ số sử dụng tải trọng của động cơ

Theo quy luật cấp số nhân, tỷ số truyền của tay số trung gian bất kỳ có thể xác định theo công thức [2]:

ihi = ( ) /( 1 ) 1



i n n h i

trong đó: i: số thứ tự tay số; n: số cấp hộp số với n = 5 Theo số liệu tính toán ở trên :i h1 8,5

tỷ số truyền tay số hai là: ih2

ih2 = ( 5 2 ) /( 5 1 )

1





h

5 ,

8 =4,97

tỷ số truyền tay số ba là: ih3

ih3 = ( 5 3 ) /( 5 1 )

1





h

i = 8,52/4 = 2,92

tỷ số truyền tay số tư là: ih4

ih4 = ( 5 4 ) /( 5 1 )

1





h

5 ,

8 =1,7

tỷ số truyền tay số hai là: ihl

ihl = (1,2  1,3) ih1 = 1,2.8,5 = 10,2

3 XÁC ĐỊNH CÁC KÍCH THƯỚC CHÍNH CỦA HỘP SỐ

3.1 CÁC KÍCH THƯỚC CƠ BẢN CỦA TRỤC

3.1.1 Khoảng cách giữa các trục của hộp số:

Đối với ô tô loại trục cố định, khoảng cách giữa các trục của hộp số (A) có thể xác định sơ bộ theo công thức kinh nghiệm sau [2]:

A = Ka (Mra)1/3 (mm) (4.1)