thuyết minh đồ án ô tô

Công dụng của hộp số: - Hộp số là thiết bị dùng để thay đổi số vòng quay và momen của động cơ về cả độ lớn và hướng truyền đến các bánh xe chủ động đủ để thắng sức cản chuyểnđộng của ô t

LỜI NÓI ĐẦU

Ô tô máy kéo là phương tiên sản xuất, kinh doanh và sinh hoạt, không thểthiếu được trong đời sống hiện nay Cùng với sự tiến bộ chung của khoa học, ngànhôtô cũng có những bước phát triển mạnh mẽ với những thành quả kinh ngạc Nhữngbiến đổi mà đòi hỏi phải có những nhận thức sâu rộng về các vấn đề đó có liên quan

đế công nghệ ôtô mới có thể nhận thấy tầm quan trọng của nó

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

Vì vậy đồ án kết cấu và tính toán ôtô là một bước cũng cố và phát triểnnhững 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 nhiều khó khănphức 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 thầytrong bộ môn

Để hoàn thành đồ án này em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tìnhcủa thầy Lê Văn Tụy, các thầy trong bộ môn và các bạn trong lớp

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Đức Toàn

PHẦN 1 TỔNG QUAN VỀ HỘP SỐ 1.1 Công dụng và yêu cầu của hộp số:

1.1.1 Công dụng của hộp số:

- Hộp số là thiết bị dùng để thay đổi số vòng quay và momen của động cơ (về cả

độ lớn và hướng) truyền đến các bánh xe chủ động đủ để thắng sức cản chuyểnđộng của ô tô, máy kéo thay đổi khá nhiều trong quá trình làm việc

- Tách lâu dài động cơ khỏi hệ thống truyền lực khi cần thiết mà không cần tắtmáy như: khi ô tô chạy không tải, khởi động động cơ ô tô, cho xe chạy xuống dốc,chạy theo quán tính

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

đổ, cần cẩu, và các thiết bị khác

- Chuyển động lùi khi cần thiết

1.1.2 Yêu cầu của hộp số:

Để đảm báo công dụng trên, ngoài yêu cầu về sức bền và kết cấu gọn nhẹ,hộp số ô tô có cấp phải thỏa mãn các yêu cầu sau:

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

có tính kinh tế nhiên liệu cẩn thiết cho ô tô, máy kéo Do ô tô phải làm việc trênnhiều địa hình khác nhau nên có các yêu cầu động lực học khác nhau vì thế phải có

tỷ số truyền thích hợp để phù hợp với điều kiện làm việc của ô tô

- Gài số không sinh ra lực va đập các bánh răng và các hệ thống truyền lực

- Hộp số có vị trí trung gian (số 0) để ngắt động cơ ra khỏi hệ thống truyền lựctrong thời gian dài Có cơ cấu chống gài hai số cùng lúc để đảm bảo an toàn, không

bị vỡ răng

- Hộp số có số lùi cho phép xe chuyển động lùi

- Điều khiển nhẹ nhàng, êm dịu và có hiệu suất cao

- Kết cấu đơn giản, kích thước khối lượng nhỏ, giá thành rẻ

1.2 Phân loại hộp số:

- Theo phương pháp điều khiển chia ra các loại: điều khiển bằng tay, điều khiển

tự động và bán tự động

- Theo tính chất truyền momen, hộp số được chia thành hai loại:

+ Kiểu hộp số vô cấp: có momen truyền qua hộp số biến đổi liên tục và do đó

tỷ số truyền động học cũng thay đổi liên tục Hộp số vô cấp trên ô tô chủ yếu làkiểu truyền động bằng thủy lực

Ưu điểm: kết câu đơn giản, hiệu suất truyền động cao, kích thước nhỏ gọn.Động cơ không bị chuyển trạng thái đột ngột, giúp tối ưu hóa quá trình hoạtđộng và gián tiếp giảm mức ăn xăng

Nhược điểm: có tỷ số truyền giới hạn, có tay số giới hạn và khi ra vào sốphải thay đổi chế độ làm việc của động cơ Chế tạo phức tạp dẫn tới giá thànhcao

-Hộp số có cấp: kiểu hộp số có cấp gồm một số cấp hữu hạn (thường từ 3 đến 20cấp), ứng với mỗi cấp giá trị momen và do đó tốc độ truyền qua hộp số là khôngđổi

Ưu điểm: kết cấu đơn giản, hiệu suất truyền động cao, kích thước nhỏ gọn.Nhược điểm: có tỷ số truyền giới hạn, có tay số giới hạn và khi ra vào sốphải thay đổi chế độ làm việc của động cơ

loại:

+ Hộp số ba trục: gồm các trục sơ cấp gắn với bánh răng chủ động của sốtruyền, trục trung gian chứa bánh răng trung gian và trục thứ cấp chứa các bánhrăng bị động Điều đặc biệt đáng chú ý hộp số ba trục trên ô tô là trục sơ cấp và trụcthứ cấp được bố trí đồng tâm

Hình 1.1: Hộp số ba trục

I- Trục sơ cấp; II- Trục trung gian ; III- Trục thứ cấp ; 1, 2, 3, 4, 5- Vị trí cấp số tiến

sô 1, 2, 3, 4, 5 ; L- Vị trí cấp số lùi ; Zq, Zq’– Số răng cặp bánh răng ăn khớp chung

- Ưu điểm của hộp số ba trục: Vì trục I và trục III là đồng tâm nên cho phéptạo ra tỷ số truyền thẳng do đó mà hiệu suất lúc này là cao nhất Trong khi đó, thờigian mà ô tô làm việc ở số truyền thẳng là lớn nhất, chiếm khoảng 50-80% do đó

mà khi sử dụng hộp số ba trục sẽ nâng cao được hiệu suất truyền của hộp số, giảmtiêu hao nhiên liệu và tăng tuổi thọ chung hộp số

- Nhược điểm của hộp số ba trục là trục thứ cấp phải bố trí gối lên trục sơcấp thông qua ổ bi đặt trong phần rỗng của đầu ra trục sơ cấp, do đó bị khống chếbởi đầu ra của điều kiện kết cấu nên ổ bi có thể không được chọn theo điều kiện tiêuchuẩn tính toán ổ bi mà phải tính toán thiết kế riêng, điều này làm ổ bi dễ bị quá tải.Nhưng do thời gian làm việc của ổ bi không nhiều và hộp số có thể tạo ra tỷ sốtruyền thẳng nê tuổi thọ ổ bi ít bị ảnh hưởng Với hộp số đồng tâm có nhiều trụctrung gian cho phép tăng độ cứng vững trục thứ cấp do đó mà khắc phục đượcnhững nhược điểm trên, và do điều kiện ăn khớp tốt nên cải thiện được hiệu suất

hộp số Nhưng với hộp số ba trục có nhiều trục trung gian khá cồng kềnh và phứctạp do đó nó chỉ dùng trên xe ô tô tải lớn hoặc rất lớn.

+ Hộp số hai trục: gồm một trục sơ cấp gắn với bánh răng chủ động và trụcthứ cấp gắn với bánh răng bị động của các cấp số truyền tương ứng Loại hộp số haitrục không thể tạo được số cấp truyền thẳng như hộp số ba trục nên hiệu suất tất cảcác cấp số truyền của hộp số luôn nhỏ hơn một

Hình 1.2 Hộp số hai trục.

I- Trục sơ cấp; II- Trục thứ cấp ; 1, 2, 3, 4- Vị trí cấp số tiến sô 1, 2, 3, 4 ; L- Vị trí cấp số lùi

- Với hộp số hai trục thì đầu ra có thể đi theo hai chiều nên nó phù hợp với

hệ thống truyền lực có cầu chủ động bố trí cùng phía với động cơ như trên một số

xe ô tô du lịch Điều này thuận lợi cho việc thiết kế truyền lực chính của cầu chủđộng với kiểu bánh răng trụ và nếu thiết kế kiểu này thì không cần sử dụng truyềnđộng cắc-đăng để nối truyền động từ hộp số đến cầu chủ động như các sơ đồ bố trí

cổ điển trên ô tô sử dụng hộp số ba trục đồng tâm Hộp số hai trục cũng được sửdụng phổ biến của hệ thống truyền lực máy kéo và các loại máy chuyên dụng khác.

- Ưu điểm của hộp số hai trục: Cho phép tạo nên hệ số truyền lực gọn như đãnêu trên và vì vậy hiệu suất truyền lực ( ở mỗi tay số) cao, do nó chỉ truyền qua mộtcặp bánh răng ăn khớp Hộp số hai trục có cấu tạo đơn giản hơn hộp số ba trục

- Nhược điểm của hộp số hai trục: Kích thước theo chiều ngang lớn hơn hộp

số ba trục đồng tâm khi có cùng tỷ số truyền bởi vì hộp số đồng tâm ba trục mỗi tỷ

số truyền phải qua ít nhất hai cặp bánh răng ăn khớp nên kích thước nhỏ gọn hơn

Vì kích thước hộp số lớn sẽ kéo theo trọng lượng lớn nhất là khi hộp số có tỷ sốtruyền lớn do đó mà cấu tạo cồng kềnh và khó bố trí

1.2.3 Hộp số thường

Hộp số thường có từ ba đến sáu cấp Số cấp số ảnh hưởng đến tính năngđộng lực cũng như tính kinh tế nhiên liệu của xe Khi số cấp số tăng lên thì tínhnăng động học cũng như tính kinh tế nhiên liệu đều tăng, công suất sử dụng và lấy

đà, tăng tốc cũng nhanh hơn nhưng lúc đó số lần gài số cũng tăng lên nên phức tạpcho việc điều khiển và kéo dài một phần lấy đà

Các loại xe có đặc tính động lực tốt và có tính tăng tốc cao nên phần lớn thờigian làm việc là ở số truyền thẳng còn các số trung gian rất ít khi sử dụng vì vậy cácloại xe này thường dùng hộp số ba cấp Ví dụ như những xe du lịch có thể tích côngtác vừa và lớn Còn nếu có thể tích công tác thì số cấp có thể tăng lên bốn cấp nhằm

sử dụng hợp lý công suất động cơ và nâng cao tính kinh tế, hiệu quả nhiên liệu củađộng cơ

Khi xe chạy trên đường tốt hoặc có tải trọng nhỏ hơn thiết kế, để sử dụng tốtnhất công suất động cơ, nâng cao tính kinh tế, hiệu quả sử dụng nhiên liệu cho xe

và để nâng cao tuổi thọ động cơ thì người ta thiết kế thêm tỷ số truyền tăng tức là có

tỷ số truyền i<1 Điều này có ý nghĩa rất quan trọng đối với ô tô vận tải vì chúng cótrọng lượng toàn bộ thay đổi trong giới hạn khá lớn

Với các loại ô tô vận tải, thường được thiết kế với tiêu chí tiêu hao nhiên liệu

là thấp nhất do vậy tính động lực không cao, phạm vi thay đổi toàn bộ trọng lượng

xe nằm trong dãy rộng nên hộp số thường được thiết kế với số cấp số khá lớn,thường là năm đến sáu cấp Và để cho quá trình gài số diễn ra êm dịu thì các cấp sốphải có thêm bộ đồng tốc.

Khi tải trọng càng tăng thì số cấp tỷ số truyền tăng theo, với ô tô tải lớn, làmviệc trong điều kiện nặng nhọc thì phải dùng hộp số có nhiều cấp

một số truyền thẳng và một số truyền giảm hoặc tăng Hộp số chính thường có từ 4đến 5 cấp, với kết cấu như vậy thì hộp số phải có thêm cơ cấu điều khiển phụ Hộp

số phụ có kết cấu của bộ hành tinh nên có cấu tạo phức tạp và cồng kềnh hơn Vớikết cấu của hốp số nhiều cấp có hộp số phụ kiểu hành tinh bố trí phía sau hộp sốchính thì cụm hành tinh được dẫn động bởi bánh răng trung tâm gắn trên trục thứcấp của hộp số chính còn gọi là trục bị dẫn nối với cần C của bộ hành tinh Bộ hànhtinh làm việc với hai tỷ số truyền: Hoặc khóa vành răng bao của cần C để tạo khốicứng và cho tỷ số truyền thẳng hoặc nối cố định vành răng bao với vỏ để tạo ra tỷ

số giảm tốc mạnh

Nếu hộp số phụ bố trí phía trước hộp số chính thì nó chỉ dùng trong trườnghợp có số truyền tăng bởi khi dùng số truyền tăng sẽ giảm được mô men xoắn đặtlên hộp số chính nhờ đó có thể nâng cao hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu Với sô đồnày sẽ cho hiệu suất cao như hộp số thường Mỗi số truyền của hộp số nhiều cấp chỉqua hai cặp bánh răng ( trừ số lùi) giống như hộp số thường mặc dù có thêm hộp sốphụ ở phía sau Lúc này hộp số phụ đóng vai trò chia đường truyền động đến trụctrung gian chung, hoặc gài đồng tốc của hộp số phụ về vị trí truyền thẳng để truyềntrung gian theo cặp bánh răng truyền động chung của hộp số chính

Hộp số phụ kiểu hành tinh bố trí sau hộp số chính sẽ cho ta hộp số nhiều cấp

số với số cấp tăng gấp đôi so với số cấp sô của hộp số chính mà hiệu suất vẫn cao,nâng cao tuổi thọ chung hộp số và làm việc êm Tuy nhiên cơ cấu điều khiển sẽphức tạp hơn và phải kết hợp với điều khiển bằng cần cơ khí và bán tự động

PHẦN 2 TÍNH TOÁN XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU

2.1 Tính toán xác định các thông số ban đầu:

2.1.1 Tỷ số truyền số thấp nhất – số cao nhất của hộp số:

Giá trị tỷ số truyền của cấp số thấp nhất ih1 được xác định theo [1] như sau:

ih1 (2.1)Trong đó:

Ga: Trọng lượng toàn bộ xe

t : Hiệu suất hệ thống truyền lực.

Xe thiết kế là xe buýt, theo [2]

t = 0,820,85 ; chọn t =0,85

: Tỷ số truyền của truyền lực chính

Giá trị tỷ số truyền lực chính cùng với tỷ số truyền cao nhất của hộp số đượcxác định theo tốc độ chuyển động lớn nhất của xe [m/s] ứng với tốc độ góc lớn nhấtcủa động cơ [rad/s] Theo [1]

n = + 1 (2.2)Trong đó:

q: Công bội của dãy tỷ số truyền

Theo [1]: Đối với hộp số thường, xe thiết kế là xe buýt sử dụng động cơdiezel : q = 1,5 1,8 : Chọn sơ bộ công bội q = 1,5

Thế số vào công thứ (2.2) ta được:

n = + 1 = 4,38

Nên ta chọn số cấp số là n* = 5 cấp

2.1.3 Tỷ số truyền trung gian của hộp số:

Đối với xe buýt thường làm việc với các số truyền trung gian và thấp nên sốtruyền trung gian được xác lập theo cấp số nhân với công bội q* Theo [1] :

q* = (2.3)

(2.3b)Trong đó:

q*: Công bội của dãy tỷ số truyền hộp số

Xác định theo công thức (2.3)

: Tỷ số truyền trung gian thứ k của hộp số

Theo [1] Nếu số truyền cao nhất là truyền thẳng (ihn = 1) thì

q* = = 1,41

2.2 Chon loại/kiểu và sơ đồ động học hộp số:

Ô tô thiết kế là xe buýt, ta chọn hệ thống tỷ số truyền các số trung gian tronghộp số theo cấp số nhân

Ô tô dùng để chuyên chở hành khách, làm việc ở điều kiện thường xuyên thayđổi tải trọng, có tỷ số truyền lớn nên ta chọn hộp số loại ba trục cố định, có trục sơcấp và thứ cấp đồng tâm vì: hộp số này có ưu điểm nổi bật là trục sơ cấp và trục thứcấp đồng tâm nên có thể làm số truyền thẳng, trường hợp này hiệu suất bằng 1.Bánh răng các tay số thấp (như số một và số lùi) chịu lực lớn, thời gian làmviệc ít hơn nên bố trí sát gối đỡ sau Bánh răng tay số cao, thời gian làm việc nhiều,được bố trí ở khoảng giữa trục, là vùng có góc xoay nhỏ nhất, nhờ đó điều kiện ănkhớp của bánh răng tốt hơn nên giảm được tiếng ồn và mài mòn

Hầu hếu các tay số đều dùng bánh răng trụ răng nghiêng và đồng tốc Các tay

số một và số lùi có thể có răng thẳng gài bằng phương pháp di trượt Mặt khác ở cáctay số 2, 3, 4, 5 khi sang số, vì tốc độ lớn nên mặc dù đã ngắt ly hợp song do quántính nên các bánh răng còn quay với tốc độ khác nhau, nếu gài số sẽ sinh ra lực vađập Để khắc phục hiện tượng trên và đơn giản hóa các thao tác cho người lái nêntrên hộp số có bố trí bộ đồng tốc để gài ở số 2, số 3, số 4 và số 5 Để khi hai bánhrăng chưa đồng tốc thì cơ cấu này không cho chúng gài vào nhau, bằng cách tạo ramột lực cản chống lại lực của tay người lái tác dụng lên cần số Dùng momen masát giữa các bề mặt côn tiếp xúc để khắc phục momen quán tính Các bánh răng dầndần đồng đều tốc độ và lực cản trên dần dần bị triệt tiêu, lúc đó lực của tay người lái

đủ để thằng định vị lò xo bi, gạt các bánh răng ăn khớp với nhau một cách êm dịu

Hình 2.1 Sơ đồ động học hộp số xe buýt.

1- Trục sơ cấp ; 2- Bộ đồng tốc ; 3- Bánh răng di trượt ; 4- Trục thứ cấp ; 5- Trụctrung gian ; 6- Trục số lùi ; 1, 2, 3, 4, 5, L- vị trí gài cấp số 1, 2, 3, 4, 5, L

Để thuận tiện trong việc điều khiển ô tô ta bố trí thêm một số lùi

Theo [2] Tỷ số truyền tay số lùi = (1,2 1,3)

Trong đó:

: Tỷ số truyền số thấp nhất của hộp số

Theo kết quả (2.1): = 3,94Chọn = 1,2 ; suy ra: = 1,2.3,94 = 4,73

2.3 Tính toán kich thước cơ bản của trục và cặp bánh răng hộp số:

2.3.1 Tính toán kích thước cơ bản của trục:

2.3.1.1 Khoảng cách trục hộp số:

Khoảng cách trục A (tính theo [mm]) ccủa hộp số ô tô được xác định theo [1]như sau:

(2.4)Trong đó:

Ka: Hệ số kinh nghiêm

Theo [1] Với động cơ diezel, xe thiết kế là xe buýt, hộp sốthường: Ka = 8,6 ÷ 9,6 ; Chọn Ka = 9

Memax: Momen quay cực đại của động cơ

Theo đề: Memax = 248 (N.m)

ih1: Tỷ số truyền số thấp nhất của hộp số

Theo kết quả (2.1): ih1 = 3,94Thay vào công thức (2.4) tính được khoảng cách trục sơ bộ là:

[mm]

Chọn sơ bộ: A = 90 [mm]

2.3.1.2 Kích thước theo chiều trục các-te hộp số.

Kích thước theo chiều trục của các-te hộp số l [mm] nói chung có thể đượcxác định bằng tổng chiều dài (theo chiều trục) của các chi tiết lắp trên trục trunggian hộp số (hoặc trên trục thứ cấp đối với hộp số hai trục) bao gồm chiều rộng củabánh răng b [mm]; chiều rộng của các đồng tốc (hoặc ống gài) H [mm]; chiều rộngcủa các ổ đỡ trục B [mm]

Đối với ô tô, máy kéo các thông số này được xác định theo [1] như sau:

- Chiều rộng các vành răng:

b ≈ (0,19 ÷ 0,23).A đối với xe buýtChọn: b ≈ 0,2A

Với A: Khoảng cách trục hộp sốTheo kết quả (2.4) A = 90 [mm]

Suy ra: Chọn: b ≈ 0,2A = 0,2.90 = 18 [mm]

- Chiều rộng ổ đỡ:

B ≈ (0,20 ÷ 0,25).A đối với xe buýt

Chọn: B ≈ 0,2.A = 0,2.90 = 18 [mm]

- Chiều rộng của đồng tốc (hoặc ống gài) có giá trị nằm trong khoảng:

H ≈ (0,40 ÷ 0,55).A đối với xe buýt

Chọn: H ≈ 0,50.A = 0,50.90 = 45 [mm]

2.3.1.3 Đường kính trục:

Đường kính trục của hộp số theo [2] được chọn chủ yếu theo điều kiệncứng vững, dựa vào các công thức kinh nghiệm sau:

- Đường kính trục sơ cấp (d1):

d1 = Kd.(Memax)1/3 [mm] (2.5)

Trong đó: Kd – Hệ số kinh nghiệm

Theo [2] Kd = 4,0 ÷ 4,6 Chọn Kd = 4,0

Memax - Mômen cực đại của động cơ [Nm]

Thế kết quả của (2.5) và (2.6) vào (2.7) tính được :

2.3.2 Tính toán số răng của bánh răng hộp số:

2.3.2.1 Mo-duyn:

Để đảm bảo các bánh răng hộp số ô tô làm việc êm dịu, xu hướng chọn duyn có giá trị nhỏ Theo [1] mo-duyn có giá trị nằm trong khoảng:

mo-m = 3,25 ÷ 4,00 đối với xe buýt

Chọn: m = 3,25 cho các số truyền cao

m = 3,5 cho các số truyền thấp (số một và số lùi)

2.3.2.2 Góc nghiêng của răng (β):

Để đảm bảo các bánh răng hộp số ô tô làm việc êm dịu, xu hướng chọn gócnghiêng của răng có giá trị lớn Theo [1] góc nghiêng của răng có giá trị nằm trongkhoảng:

= 180 ÷ 260 đối với xe buýt

Chọn: = 250 cho các số truyền cao

= 220 cho các số truyền thấp (số một và số lùi)

2.3.2.3 Số răng của các bánh răng hộp số:

Đối với hộp số ba trục đồng trục, các số truyền đều phải qua hai cặp bánhrăng, trong đó có một cặp bánh răng được dùng chung cho tất cả các số truyền (trừ

số truyền thẳng) gọi là cặp bánh răng luôn luôn ăn khớp Nghĩa là nó luôn làm việcvới bất kì gài số truyền nào (trừ số truyền thẳng) Vì vậy khi phân chia tỷ số truyềncho cặp bánh này cần phải có giá trị đủ nhỏ để vừa đảm bảo tuổi thọ cho cặp bánhrăng luôn luôn ăn khớp, vừa để cho số răng chủ động của cặp bánh răng gài số ở sốtruyền thấp không được quá nhỏ

Theo [1]: số răng chủ động của cặp bánh răng gài số ở số truyền thấp của ô

tô du lịch = 1715 (với ih1 = 3,5 ÷ 3,8); đối với ô tô vận tải = 16 12 (với ih1 = 6 ÷ 8).Tuy nhiên với hộp số của xe buýt, theo kết quả (2.1) ih1 = 3,94 để đảm bảo tính êmdịu và tránh hiện tượng cắt chân răng nên ta chọn = 16

Từ tính được tỷ số truyền cặp bánh răng gài số theo [1] như sau:

(2.8)Trong đó:

A: Khoảng cách trục của hộp số

Theo kết quả (2.4): A = 90 [mm]

: Tỷ số truyền của cặp bánh răng gài số một

: Góc nghiêng của cặp bánh răng gài số một

Theo số liệu chọn ở mục 2.3.2.2: = 220

: Mo-duyn pháp tuyến của cặp bánh răng gài số một

Theo số liệu chọn ở mục 2.3.2.1: = 3,5

Thế số ta tính được: