Tinh toan thiet ke va toi uu thong so ket cau hop so co khi

Đề tài đã giải quyết được các vẫn đề sau: Tổng quan: Trình bày một số vấn đề về hộp số cơ khí và đưa ra được phương án thiết kế. Thiết kế hộp số: Tính toán thiết kế được các bộ truyền bánh răng và các trục cả hộp số. Mô phỏng 3D: Dùng phần mềm CATIA để mô phỏng 3D các bánh răng và trục hộp số, từ đó đưa ra được mô hình 3D lắp ráp các bộ truyền bánh răng. Tối ưu hóa thông số kết cấu của hộp số: Đi vào tối ưu hóa các bánh răng và trục hộ số

MỤC LỤC

Trang

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN ………

1.1.Luận chứng kinh tế………

1.2 Ảnh hưởngcủa hộp số đến tính năngđộng lực học ô tô……

1.2.1 Ảnh hưởng của số lượng số truyền trong hộp số 1.2.2 Ảnh hưởng của tỷ số truyền của hộp số………

1.3 Phân tích đặc điểm kết cấu hộp số………

1.3.1Hộp số có hai trục ………

1.3.1Hộp số có ba trục ………

1.4 Lựa chọn phương án thiết kế.………

1.4.1 Lựa chọn sơ đồ hộp số thiết kế 1.4.2.Đường chạy số………

1.5 Mục tiêu và nội dung nghiên………

1.5.1 Mục tiêu………

1.5.2 Nội dung nghiên cứu………

CHƯƠNG II: PHÂN TÍCH KẾT CẤU VÀ CHẾ ĐỘ TẢI TRỌNG TÍNH TOÁN HỘP SỐ………

2.1 Chế độ tải trọng tính toán ………

2.1.1 Xác định tải trọng tác dụng lên trục.………

2.1.2 Lực tác dụng lên các cặp bánh răng………

2.2 Thông số trụccác trục hộp số………

CHƯƠNG III: TỐI ƯU HÓA KẾT CẤU TRỤC HỘP SỐ.……

3.1 Lựa chọn các tham số thiết kế………

3.2 Xác định hàm mục tiêu.………

3.3 Điều kiện giới hạn………

3.4 Xác định hàm tối ưu………

3.5 Kết quả tối ưu………

KẾT LUẬN………

TÀI LIỆU THAM KHẢO………

PHỤC LỤC………

LỜI NÓI ĐẦU

Nướctađangtrongquátrìnhcôngnghiệphoáhiệnđại hoáđất nước.Ngành cơkhíôtôlàmộttrongnhững ngànhđangtrongquátrìnhpháttriểnmạnh,vớinhiềunhàmáysảnxuấttiêntiếnmọclên.Ôtôngàynaycàngngàycàngđượcsử

dụngrộngrãitrongthựctếđời sốngvìnhưngtiệníchmànómanglại.Mộttrongnhữngbộphậnkhôngthể thiếucủaôtôvàảnhhưởngtrựctiếpđếnquátrìnhđiềukhiểnôtô,đólàhộpsố.Ngàynay,hộpsốôtôkháphongphúvềchủngloại,vềkết

cấucôngnghệ.Nhưngphổbiếnnhất làhộpsốtruyềnđộngcơkhí,cácloạixechấtlượngcaocònđượctrangbịhộpsốtựđộng.Tuycómộtsốnhượcđiểmso

vớihộpsốtựđộngnhưnghộpsốtruyềnđộngcơkhívẫncónhữngưuđiểmvà

đượcsửdụngphổbiếntrongcácloạiôtôhiệnnay.Trongquátrìnhhọctậptại

trường,quacácđợtthựctậptronglẫnngoàitruờngemđãlắmbắtđượcnhững

kiếnthứccơbảnvềhộpsố,từkết cấuđếncôngnghệchếtạo cơbản…

Trongđợtxéttốtnghiệpnămnay,với vinhdựđượcbộ môn và thầy giáo hướng

dẫngiaođềtài“thiếtkếhộpsốcơkhí và tối ưu hóa thông số kết cấu”.Emđãcốgắngtrìnhbàynhữngvấnđềcơ

bảnnhấtvềhộpsố,ứngdụngvàtínhtoáncácchi tiếtcủahộpsốnhằmđưahộpsốthiếtkếđạttớiđiềukiệntốiưunhấtcóthể

Đề tài đã giải quyết được các vẫn đề sau:

Tổng quan: Trình bày một số vấn đề về hộp số cơ khí và đưa ra đượcphương án thiết kế

Thiết kế hộp số: Tính toán thiết kế được các bộ truyền bánh răng và cáctrục cả hộp số

Mô phỏng 3D: Dùng phần mềm CATIA để mô phỏng 3D các bánh răng vàtrục hộp số, từ đó đưa ra được mô hình 3D lắp ráp các bộ truyền bánh răng

Tối ưu hóa thông số kết cấu của hộp số: Đi vào tối ưu hóa các bánh răng vàtrục hộ số

Trong quá trình làm đồ ántốtnghiệp em đã được thầy hướng dẫn,cùng các thầytrong bộ môn,hướngdẫn tận tình, giúp đỡ em hoàn thành đồ án tốt nghiệp.Mặc dù

đã rất cố gắngnhưng do tài liệu,năng lực có hạn nên chắc chắnđồ án khôngthểtránhkhỏi những thiếu sót.Em rất mong được sự góp ý của cácthầy,cùngcácbạnđểđồ ánđượchoànthiệnhơn.Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn

thầy giáoNguyễn Quang Cường và thầy giáo Nguyễn Thành Công cùng các

thầy cô giáo trong bộ môn đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn, tạo điều kiện tốt nhấtcho em để hoàn thành đồ án này

Hà Nội / 2014

Sinh viên thực hiện

Phạm Văn Quang

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 Luận chứng kinh tế.

Ở các nước công nghiệp phát triển, công nghiệp ô tô là ngành kinh tế mũinhọn Trong khi đó thực trạng ngành công nghiệp ô tô nước ta đang gặp phảinhiều khó khăn, các doanh nghiệp ô tô lớn của đất nước vẫn chủ yếu là nhập linhkiện từ các nước về và tiến hành lắp ráp

Do vậy muốn ngành công nghiệp ô tô nước ta phát triển thì phải từng bướcnội địa hóa các linh kiện Từ đó có thể thúc đẩy các ngành công nghiệp cơ khíphụ trợ trong nước phát triển Việc sản suất ra các linh kiện, trước tiên để phục vụnhu cầu sửa chữa, tiếp đó là phục vụ cho việc lắp ráp ô tô mới

Để có thể chế tạo được các phụ tùng có thể lắp lẫn được trên các xe ô tô hiệnnay, nhiệm vụ đặt ra là phải có đội ngũ cán bộ kĩ sư ô tô am hiểu về công nghệchế tạo và tính toán thiết kế các tổng thành phù hợp để sử dụng cho từng loại xe

cụ thể

Việc thiết kế, chế tạo hộp số có vai trò hết sức quan trọng trong công cuộccông nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước Nó thúc đẩy ngành công nghiệp phụ trợcho ngành công nghiệp ô tô nước ta có thể có bước tiến vững chắc, chủ độngđược nguồn cung cấp linh kiện Từ đó sẽ đi đến việc xây dựng các nhà máy sảnxuất và lắp ráp ô tô mang thương hiệu Việt Nam

Với mục tiêu đề gia của đất nước là phấn đấu đến năm 2020 Việt Nam cơ bảntrở thành nước công nghiệp theo hướng hiện đại, Chiến lược phát triển Kinh tế -

Xã hội của đất nước giai đoạn 2011-2020 đã xác định rõ: Phát triển mạnh côngnghiệp theo hướng hiện đại, nâng cao chất lượng và sức cạnh tranh Theo đó: ưutiên phát triển các sản phẩm có khả năng tham gia mạng sản xuất và chuỗi giá trịtoàn cầu thuộc các ngành công nghiệp công nghệ cao, công nghiệp cơ khí Pháttriển mạnh công nghiệp hỗ trợ.Vì vậy việc thiết kế chế tạo hộp số, có tầm quan

trọng trong việc phát triển mạnh các ngành công nghiệp phụ trợ cho phát triểnngành công nghiệp ô tô trong tương lai.

1.2 Ảnh hưởngcủa hộp số đến tính năngđộng lực học ô tô

1.2.1 Ảnh hưởng của số lượng số truyền trong hộp số

Nhằm mục đích làm rõ ảnh hưởng của số lượng số truyền trong hộp sốđến tính chất động lwucj học ô tô, chúng ta nghiên cứu so sánh đặc tính động lựchọc của hai loại ô tô, có tính động lực học tương tự nhau nhưng ô tô thứ nhất với

3 số truyền chính, ô tô thứ hai có 4 số truyền chính (hình ) và đều có tỷ sốtruyền ở tay số I và số cuối bằng nhau

Hình 1-1: Đặc tính động lực học ô tô

Qua hai đồ thị ta thấy: nếu hai ô tô cùng chuyển động trên cùng một loại

đường có hệ số cản tổng cộng như nhau là ψ2

, thì vận tốc lớn nhất có được ở ô

tô có hộp số 3 cấp là

'' ax

m

v

sẽ nhỏ hơn vận tốc lớn nhất của ô tô có hộp số 4 cấp là

thì ta cũng nhận được vận tốc lớn nhất của ô tô với hộp số 3 cấp sẽ

nhỏ hơn tốc độ lớn nhất của ô tô với hộp số 4 cấp

' ax

m

v

.Như vậy, tăng số lượng số truyền trong hộp số sẽ dẫn đến việc tăng tốc độtrung bình của ô tô Tuy nhiên nếu tăng quá mức số lượng số truyền của hộp sốsẽ làm cho hộp số phức tạp, cồng kềnh, khối lượng của hộp số tăng lên làm phứctạp cho người điều khiển Vì vậy, đối với ô tô con, hộp số thông thường khôngvượt quá 4-5 cấp CÒn đối với ô tôtải và ô tô khách thì không vượt qua 5-6 cấp

1.2.2 Ảnh hưởng của tỷ số truyền của hộp số

Hộp số được đặt trong hệ thống truyền lực của ô tô nhằm đảm bảo khả năngkhắc phục lực cản của mặt đường luôn thay đổi Ta cần tiến hành xác định tỷ sốtruyền của từng sso trong hộp số

(1) Xác định tỷ số truyền ở tay số I của hộp số

Tỷ số truyền ở tay số I cần phải chọn sao cho lực kéo tiếp tuyến phát ra ở cácbánh xe chủ động của ô tô có thể khắc phục được lực cản tổng cộng lớn nhất củamặt đường Từ phương trình cân bằng lực kéo khi ô tô chuyển động ổn định tacó:

W – Diện tích cản gió

V – vận tốc của ô tô, m/s

Khi ô tô chuyển dộng ở tay số I thì tốc độ của chúng rất chậm, do đó ta bỏqua lực cản của không khí Như vậy:

Memax – Mô men xoắn lớn nhất của động cơ, N.m

- hiệu suất truyền lực của hệ thống truyền lực

Mặt khác lực kéo tiếp tuyến lớn nhất phát ra ở các bánh xe chủ động Pkmax

bị hạn chế bới điều kiện bám, cho nên:

Như vậy khi chọn tỷ số truyền hộp số tay số I thỏa mãn theo biểu thức 2, kiểmchứng theo điều kiện 4, nếu điều kiện 4 không được thỏa mãn thì tính lại trọnglượng phân bố lên cầu chủ động, tức là thiết kế lại bố trí chung của ô tô.

(2) Xác định tỷ số truyền của các số trung gian trong hộp số

Tỷ số truyền của các số trung gian trong hộp số có thể được lựa chọn theomột trong hai phương pháp sau:

a) Chọn hệ thống tỷ số truyền của các số trung gian theo cấp số nhân.

Cấp số nhân được dùng rộng rãi để chọn hệ thốn tỷ số truyền của hộp số ô tô

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

Ở tất cả các số truyền thì khoảng biến thiên số vòng quay của động cơ từ

Giả thiết rằng, trong khi chuyển số thì ô tô không bị ngắt dòng công suất,

do đó không mất mát vận tốc, nghĩa là thời gian chuyển số xem như bằng không.Nói cách khác, khi gia tốc ô tô và chuyển số từ số thấp lên số cao thì vận tốccuối cùng của số thấp bằng vận tốc đầu tiên của số cao tiếp theo (hình 1-2),nghĩa là:

Số thứ n-1:

'' ''

h n pc

n r v

Số thứ n:

' '

0

2

60

e bx n

hn pc

n r v

i i i

π

=

(m/s) (1.7)Kết hợp các biểu thức (1.5), (1.6), (1.7) ta được:

n – số lượng số truyền của hộp số

; ;

( 1)

h n hn

i i

i q

i

−

=

(1.10)Thông thường trong thiết kế ô tô nhằm mục đích nâng cao tính chất độnglực học ô tô, nâng cao hiệu suất của hệ thống truyền lực, thường chọn tỷ sốtruyền ở số cao nhất của hộp số là số truyền thẳng, ihn = 1, do đó ta có:

1 1

n h

q= − i

(1.11)

Do đó tỷ số truyền của các số trung gian được xác định như sau:

( ) ( )

( )

2 1

3 1

1 1

n n

n n

n k n

Qua các biểu thức (1.7), (1.10), (1.11), (1.12)ta có nhận xét rằng:

+ Ô tô thông thường hay sử dụng ở số cao của hộp số, nhưng ở khu vực nàythì số lượng số truyền ít so với số lương số truyền có được ở số thấp, đây là một

nhược diểm khi chọn hệ thống tỷ số truyền cho các số trung gian theo cấp sốnhân.

+ Đối với hộp số có cấp thì số lượng số truyền bị hạn chế như đã tình bàykhi chọn số lượng số truyền của hộp số, do đó sẽ hạn chế khả năng tăng vận tốctrung bình của ô tô và hệ số sử dụng tải tọng của động cơ

+ Nếu công bội của cấp số q = 1 thì số cấp sẽ tăng lên vô ạn và vận tốctrung bìn sẽ tăng cũng như hệ số sử dụng tải trọng động cơ sẽ tăng

b) Chọn hệ thống tỷ số truyền của các số trung gian theo cấp số điều hòa.

Nhằm mục đích khắc phục nhược điểm của hệ thống tỷ sô truyền chọntheo cấp số nhân là khu vực số cao thì số lượng số truyền ít, người ta có thể chọnhệ thống tỷ số truyền sao cho khoảng tốc độ giữa các tỷ số truyền là như nhau(hình 1-3), nghĩa là:

pc

h n

n r v

0

2

60

e bx n

hn pc

n r v

i i i

π

=

(1.14)Như vậy ta có:

n- số lượng số truyền của hộp số

Hình 1-3: Đồ thị sang số của ô tô khi tỷ số truyền bố trí theo cấp số điều hòa

Từ công thức (15), ta xác định được tỷ số truyền của các số trung giantrong hộp số khi biết tỷ số truyền ở tay số I là ih1 và hằng số điều hòa a

1 2

1 3

1 1 1

1

1 2

h h

h h

h hn

Và: ( 1 ) 1 ( 1 ) 1

11

số lượng số truyền Khi xác định được hằng số điều hòa a, ta xác định tỷ sốtruyền của các tay só trung gian trong hộp số bằng cách kết hợp biểu thức (1.16),(1.17) ta có:

1

1 3

1

1 1

1

1 2

h

h h

n i i

n i i

là một trị số cố dịnh, mà ở các sô truyền càng cao thì số vòng quay nhỏ càng lớn:

1.3.Phân tích đặc điểm kết cấu hộp số thông dụng trên ô tô.

Trên ô tô hiện nay dùng 2 loại hộp số cơ bản là hộp số 2 trục và hộp số 3 trục Tùy theo từng loại xe và yêu cầu sử dụng mà có số lượng tay số khác nhau:

1.3.1 Hộp số có 2 trục.

Hộp số hai trục là kiểu hộp số thông dụng, được sử dụng chủ yếu trên các xe con

có động cơ đặt trước và cầu trước chủ động, gồm một trục sơ cấp gắn các bánh

răng chủ động, trục thứ cấp gắn các bánh răng bị động.

Đặc điểm của loại hộp số này là tất cả các số truyền đều chỉ truyền qua một cặpbánh răng ăn khớp, tuy nhiên ở một số trường hợp số truyền cao nhất có

thể qua nhiều cặp bánh răng ăn khớp

Hình1- 4: Hộp số 2 trục 4 tay số với số lùi bố trí phía sau

Hình 1-5 : Hộp số 2 trục với số lùi bố trí giữa bộ đồng tốc

Hộp số này có ưu điểm là:

Có hiệu suất cao, bởi vì ở tất cả các số truyền làm việc sự ăn khớp chỉ quamột cặp bánh răng

Có thể tăng nhiều độ cứng vững và độ bền của các chi tiết, bởi vì trong hộp

số này không có cụm nào bị nào bị hạn chế bởi điều kiện kích thước

Nhược điểm cơ bản của hộp số hai trục là:

1.3.2 Hộp số 3 trục.

Hộp số 3 trục, có trục sơ cấp và trục trung gian đồng tâm, số truyền cuối là

số truyền thẳng, có cặp bánh răng luôn luôn ăn khớp với nhau Các bánh răng trêntrục trung gian lắp chặt và luôn quay

Hộp số 3 trục được sử dụng phổ biến trên các loại xe từ tải trọng nhỏ đếntải trọng lớn và rất lớn Trên ô tô con sử dụng hộp số này thường có 3,4,5 số; với

xe tải, xe khách số lượng tay số có thể 4-6; các xe tải có tải trọng lớn đến rất lớn

số lượng tay số truyền có thể là 10-12 số Tăng số truyền làm tăng trọng lượnghộp số, kết cấu và điều khiển phức tạp

Hình 1-6: Hộp số 3 trục 4 tay số

Hình 1-7 : Hộp số 3 trục 6 tay số

Ưu điểm nổi bật của sơ đồ hộp số 3 trục là cho phép tạo ra số truyền thẳng(không qua cặp bánh răng truyền động nào) nên hiệu suất cao nhất (có thể coi nhưbằng một nếu như bỏ qua các tổn thất khác) Điều này có ý nghĩa rất lớn đối vớihộp số ôtô vì phần lớn thời gian làm việc của hộp số là số truyền thẳng (chiếm tỷ

lệ đến 50-80%), cho phép nâng cao hiệu suất truyền của hộp số và do đó giảmtiêu hao nhiên liệu và tăng tuổi thọ chung cho hộp số Vì vậy hộp số kiểu nàyđược sử dụng phổ biến trên hầu hết các loại ôtô.

Tuy vậy, hộp số kiểu này có nhược điểm là trục thứ cấp phải bố trí gối lêntrục sơ cấp thông qua ổ bi đặt bên trong phần rỗng của đầu ra trục sơ cấp Do bịkhống chế bởi điều kiện kết cấu (kích thước ngoài đầu trục có bánh răng chủđộng truyền mômen xuống cho trục trung gian) nên ổ bi này có thể không đượcchọn theo tiêu chuẩn tính toán ổ bi mà phải tính toán thiết kế riêng Điều này cóthể làm cho ổ bi này dễ bị tình trạng quá tải Tuy nhiên, nhờ đặc điểm nổi bật là

có khả năng truyền thẳng như đã nêu ở trên, nên thực tế ô bi này có thời gian làmviệc không nhiều, ít ảnh hưởng đến tuổi thọ của ổ bi

1.4 Lựa chọn phương án thiết kế.

Hiện nay có rất nhiều loại hộp số cơ khí với số trục và số lượng tay số khácnhau Để thuận lợi cho việc nghiên cứu, tìm hiểu kết cấu và thông số kích thước

đề tài chọn loại hộp số 2 trục trên cơ sở xe Toyota corolla 1.4 có sẵn ở phòng môhình của bộ môn Cơ khí Ô tô- Trường Đại học GTVT làm đối tượng nghiên cứu

1.4.1 Sơ đồ hộp số thiết kế.

Hình 1-8: Sơ đồ tính toán số răng của bánh răng hộp số 2 trục

I- trục sơ cấp; II –trục thứ cấp; z 1 ,z 2 ,z 3 ,z 4 - số răng của các bánh răng trên trục sơ cấp;- số răng của bánh răng trên trục thứ cấp

Hộp số này có ưu điểm là:

Có hiệu suất cao, bởi vì ở tất cả các số truyền làm việc sự ăn khớp chỉ qua một cặp bánh răng

Có thể tăng nhiều độ cứng vững và độ bền của các chi tiết, bởi vì trong hộp

số này không có cụm nào bị nào bị hạn chế bởi điều kiện kích thước

1.4.2.Đường chạy số:

+SốI:Dùng tay điều khiển cần gạtđẩy bộ đồng tốcIsang bên trái,lúc

này xe chạy ở sốI,đường truyền momen như sau:

A => BĐT1 =>Z1 =>Z’1 => B

+SốII:Dùng tay điều khiển cần gạtđẩy bộ đồng tốcIsang bên phải lúc này xechạy ởsốII,đường truyền moomen như sau:

+Số không:Khi hai bộ đồng tốc ở vị trí trung gian,cần gạt số lùi ở vị trítrunggian,các khóa hãm và định vịgiữ trục gài số ở vị trí trung gian,đảm bảodừng xean toàn khi động cơ đang hoạt động.

1.4.3 Thông số của xe tham khảo

Trong nội dung tính toán thiết kế hộp số, luận văn tập trung nghiên cứu phươngpháp thiết kế các bánh răng của hộp số Làm cơ sở để tính toán bài toán tối ưubăng răng của hộp số Xe cơ sở là loại xe Toyota Corolla 1.4 97 hpvới thông số

kỹ thuật cho bài toán thiết kế như bảng (2-1)

Bảng 1.1: Thông số kỹ thuật của xe thiết kế

3 Công suất lớn nhất của động cơ Nemax 71,4 kW

5 Tỉ số truyền của truyền lực chính i0 4,06

1.5 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu.

1.5.1 Mục tiêu.

Ứng dụng công nghệ thông tin vào trong thiết kế hộp số nhằm nâng cao chấtlượng của hộ số và giảm được trọng lượng, kích thước hộp số bằng phương pháptối ưu Sau khi thiết kế xong hộp số đi vào tối ưu hóa bánh răng và trục của hộpsố

1.5.2 Nội dung nghiên cứu.

Tên đề tài: Thiết kế hộp số cơ khí và tối ưu hóa thông số kết cấu

Nội dung của nhóm nghiên cứu

- Tổng quan về hộp số

- Thiết kế hộp số cơ khí 2 trục

- Mô phỏng 3D hộp số

- Tối ưu hóa băng răng

- Tối ưu hóa trục hộp số

Nhiệm vụ riêng: Tìm hiểu về hộp số, xác định chế độ tải trọng tính toán và

đi tới tối ưu trục hộp số

CHƯƠNG II : TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG TÁC DỤNG LÊN HỘP SỐ.

Việc tính toán tải trọng tác dụng lên hộp số đã được nhóm đè tài tính toántrong phần thiết kế hộp số cơ khí Để thuận tiện cho việc theo dõi và phục vụ choviệc tối ưu hóa chương sau Ở đây tác giả chủ yếu đưa ra các kết quả tính toán

2.1 Xác định tỉ số truyền của các tay số.

Tỉ số truyền của các tay số trong hộp số ta được xác định trình xác định theo điềuhòa Với hộp số 4 cấp ta có các tỉ số truyền ứng với các tay số như sau:

2.2 Xác định các thông số hình học cơ bản của bánh răng.

Việc xác định các thông số hình học của từng cặp bánh răng được tính toán

và lập thành các bảng, nhằm thuận tiện cho quá trình tính bền các bánh răng vàthiết lập các bản vẽ của hộp số

Hình 2-1: Các thông số của bộ truyền bánh răng trụ

Bảng 2-1 :Thông số của cặp bánh răng trụ răng nghiêng luôn ăn khớp số1

6 Mô đun mặt đầu ms ms= 2,98