Bài viết này sẽ đi sâu vào nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý hoạt động, tiếng ồn và sự dao động của hộp số, tập trung giải quyết các vấn đề thực tế, với một mô hình hộp số gần giống thực tế nhất. Với mục đích nghiên cứu để giải quyết vấn đề mang tính trừu tượng hình dung các bộ phận thực tế trong giờ học lý thuyết. Mời các bạn cùng tham khảo!
THIẾT KẾ MƠ HÌNH HỌC TẬP HỘP SỐ SÀN Ơ TÔ Lê Quốc Huy, Nguyễn Long Trường Chiến, Cao Tấn Vĩ, Nguyễn Quang Minh Viện Công nghệ Việt – Nhật, Trường Đại học Cơng nghệ TP Hồ Chí Minh GVHD: ThS Đỗ Nhật Trường TĨM TẮT Trong tình hình giao thông phức tạp nay, ô tô phương tiện sử dụng rộng rãi hẳn biết nhờ phận xe giúp xe hoạt động Đặc biệt bạn sinh viên học khối ngành kỹ thuật chưa tìm hiểu chuyên sâu phận hộp số Do phận cồng kềnh nặng, khó di chuyển mà chưa có mơ hình mơ phịng để đưa vào học lý thuyết Để giải vấn đề nhóm tiến hàng khảo sát, nghiên cứu, thiết kế mơ hình hộp số học tập Là phận quan trọng xe tích hợp nhiều chi tiết để giúp xe di chuyển Bài báo sâu vào nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý hoạt động, tiếng ồn dao động hộp số, tập trung giải vấn đề thực tế, với mơ hình hộp số gần giống thực tế Với mục đích nghiên cứu để giải vấn đề mang tính trừu tượng hình dung phận thực tế học lý thuyết Đồng thời, tăng khả tiếp nhận kiến thức truyền tải từ giảng viên, mong muốn tạo mơ hình mơ hộp số sàn tơ bạn sinh viên học cách trực quan hơn, có khả tư duy, logic vấn đề kỹ thuật nghiên cứu chuyên sâu tốt Bên cạnh tăng sinh động cho học, đẩy lùi nhàm chán TỔNG QUAN VỀ HỘP SỐ SÀN Ô TÔ 1.1 Khái niệm hộp số sàn Hộp số phận truyền sức mạnh từ động đến hệ số dẫn động Hộp số dùng để thay đổi tỷ số truyền nhằm thay đổi momen xoắn bánh xe, đồng thời thay đổi tốc độ chạy xe phù hợp với sức cản bên 1.2 Phân loại: – Hộp số trục: Trục sơ cấp trục thứ cấp – Hộp số trục: Trục sơ cấp, trục thứ cấp, trục trung gian Theo số lượng trục chia hộp số trục trục: – Hộp số trục ngang: Có đường tâm trục vng góc với trục đối xứng dọc ôtô – Hộp số trục dọc: Có đường tâm trục nằm mặt phẳng song song với trục đối xứng dọc ơtơ 223 Hình Hộp số: (a) ngang, (b) dọc 1.3 Nhiệm vụ Hộp số dùng để thay đổi tỷ số truyền nhằm thay đổi mô men xoắn bánh xe chủ động xe, đồng thời thay đổi tốc độ chạy xe phù hợp với sức cản bên – Thay đổi chiều chuyển động xe (tiến lùi) – Tách động khỏi hệ thống truyền lực khoảng thời gian tùy ý mà không cần tắt máy mở ly hợp – Dẫn động lực học cho phận công tác xe chuyên dùng – Hộp số phải có tỷ số truyền cách hợp lý để nâng cao tính kinh tế tính động lực học ô tô vận hành – Hộp số phải có hiệu suất truyền lực cao, làm việc không gây tiếng ồn, chuyển đổi số nhẹ nhàng không sinh lực va đập bánh NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG Bánh Z’1 bánh cố định trục sơ cấp Z1, kéo tạo thành cặp bánh có tỷ số truyền ban đầu ảnh hưởng đến toàn tỷ số truyền đến tay số cịn lại Chuyển số 1: Thơng qua cấu điều khiển tay số (vòng trượt, cấu đồng tốc) bánh Z’1 trục trung gian ăn khớp với bánh Z4 trục thứ cấp hộp số trục thứ cấp hộp số chuyển động với tỷ số truyền ứng với tay số Tương tự tay số 2, 3, Số lùi: Điều kiện, xe phải dừng hẳn sang số Thông qua điều khiển tay số dịch chuyển bánh Z’1 trục số lùi (đồng thời, đóng vai trị bánh trung gian kết nối thay đổi chiều chuyển động) ăn khớp với bánh Z’’1 (trên trục gian) bánh ZI trục thứ cấp Từ đó, thay đổi chiều động tơ 224 Hình Hộp số dọc trục MỨC ĐỘ TIẾNG ỔN CỦA HỘP SỐ Hộp số cấu thành từ bánh ăn khớp với nhau, hoạt động nguồn sinh rung động, tiếng ồn điều kiện hoạt động sử dụng Khi vận hành, hộp số phát tiếng ồn môi trường xung quanh lý chính: Các ứng suất lực theo phương ngang theo phương dọc trục, ổ bi đỡ, vỏ hộp số q trình truyền mơ-men, cơng suất trục chủ động trục bị động Độ đàn hồi bánh khác hộp số, liên kết lắp ghép bánh với vòng bi (bạc đạn) vỏ hộp số chưa có tính thống Trong trình vận hành bánh ăn khớp với nên nguyên nhân tạo tiếng ồn, minh họa sau: – Các âm từ bánh (tiếng va đập, tiếng bánh ma sát, ) – Tiếng va đập kim loại (lạch cạch) vận hành điều kiện có tải Âm rung động, tạo bánh xảy ‚lỗi‛ trình ăn khớp bánh răng, đồng thời không đồng độ cứng bánh – Tiếng ma sát bánh hộp số chạy điều kiện không tải Tiếng kêu bánh tiếng ồn va chạm gây cặp bánh không tải hộp số Khắc phục cần chỉnh khe hở bánh Hình Nguyên nhân phát tiếng ồn bánh 225 Mơ hình hóa độ rung tiếng ồn hộp số phần mềm COMSOL Multiphysics® Để mơ tồn tượng rung tiếng ồn hộp số, thực cách: Phân tích đa dịng Phân tích âm Trong phân tích nhiều vùng hộp số, tính tốn động lực học bánh dao động vỏ, thực tốc độ động cụ thể mô-men xoắn đầu xác định vùng thời gian định Để phân tích âm (tiếng ồn), tính tốn mức độ áp lực âm vùng hộp số cho dải tần số sử dụng gia tốc trung bình vỏ nguồn phát tiếng ồn Phân tích độ rung bên hộp số: Đầu tiên, xét xếp đồng bánh hộp số Ở đây, bánh xoắn sử dụng để biến đổi nguồn công suất từ đầu vào trục chủ động (trục sơ cấp) sang trục trung gian trục thứ cấp hộp số (Hình 4) Hình Sự lắp ghép bánh răng, khơng có cấu đồng tốc Tất bánh trục trung gian cố định với trục, bánh trục thứ cấp xoay tự quanh trục Tuy nhiên, gài số cặp bánh tay số đó, quay tốc với trục (trục thứ cấp) Giả sử, trục cứng bố trí vững vỏ hộp số, với vòng bi gối đỡ trục Đồng thời, trục sơ cấp kết nối với đầu khối động Các điều kện chủ động mô tốc động cơ, mô-men xoắn Các điều kiện lái xe xem xét cho mô phỏng: Bảng Giá trị thông số đầu vào 226 Đầu vào Giá trị Tốc độ động 5000 [rpm] Tải mô-men xoắn 1000 [N/m] Tay số 5 Với cài đặt này, phân tích đa tần số tính tốn rung động vỏ hình dưới: Hình Sự phân bố ứng suất vỏ tốc độ bánh khác Để hiểu rõ biến thiên gia tốc trung bình (biên độ cực đại cực tiểu) hàm số theo thời gian, ta xét điểm vỏ hộp số Khung thời gian mô trục hồnh đồ thị Hình Từ biểu đồ ta thấy phản ứng tần số với gia tốc trung bình vỏ, với nhiều dãy biên độ tần số rung động biến thiên có chu kỳ so với tốc độ quay trục hộp số Dải tần chủ yếu nằm khoảng từ 1000 – 3000 Hz Hình Đồ thị tần số dao động với tốc độ trục trung bình, đo điểm vỏ hộp số Phân tích tiếng ồn hộp số: Mô rung động hộp số quan sát cách mơ hình hóa xạ nhiễu COMSOL Multiphysics Đầu tiên tạo miền khơng khí bên ngồi hộp số để mơ xạ tiếng ồn xung quanh Để kết hợp động lực học đa âm âm học, giả sử xạ nhiễu âm từ hộp số chiều, chất lỏng bên ngồi khơng khí Điều này, nhằm mô tả rung động từ vỏ hộp số ảnh hưởng đến chất lỏng xung quanh, bỏ qua phản hồi từ sóng âm 227 Phân tích âm thực cho loạt dãy tần số Khi phân tích đa tần số giải miền thời gian, giải sử dụng để chuyển đổi gia tốc không gian từ miền thời gian sang miền tần số Hình Miền khơng khí bao phủ hộp số để phân tích âm Hai microphone đặt để đo mức độ tiếng ồn Là nguồn gây tiếng ồn, ứng với gia tốc trung bình vỏ hộp số tác động vào thành bên miền âm Để tránh phản xạ, âm từ miền bao phủ, chúng tơi áp dụng điều kiện xạ sóng hình cầu Với thiết lập tính tốn để phân tích âm xem mức áp suất âm vùng lân cận bề mặt vỏ hộp số tần số khác Để hiểu xạ tiếng ồn tạo biểu đồ vùng xa mặt phẳng khác tần số khác Hình Áp lực âm bề mặt hộp số Hình Mức áp suất âm vùng xa m trục tọa độ oxy 228 Sau nhận thấy độ lớn áp suất âm vùng bên ngồi, điều nhận biết thay đổi áp suất âm với tần số vị trí khác Với mục đích trên, microphone đặt vị trí khác Bảng Thơng số vị trí lắp đặt Micro Nơi lắp đặt Vị trí Phần bên hộp số (0,-0.5m,0) Phần hộp số (0,0,0.75m) Các vị trí microphone xác định điểm nút thông số thu kết quả, thay đổi thơng số đặc tính kết cấu hay vị trí đặt microphone thời điểm Hình 10 Biểu đồ tần suất độ lớn áp suất vị trí microphone Biểu đồ phản ánh ứng suất vị trí microphone cho thấy vấn đề độ ồn, dao động cần cải thiện q trình gia cơng, chế tạo KHẢO SÁT HỘP SỐ TRÊN TOYOTA INNOVA 2.0 2007 Hình 11 Hình ảnh: (a) xe Toyota innova 2007, (b) hộp số sàn G58 Toyota Innova 229 4.1 Quá trình đo kiểm Hình 12 Quá trình đo kiểm kích thước chi tiết 4.2 Q trình tính tốn Xác định tỷ số truyền tay số: Bảng Giá trị thông số xe Khối lượng xe 1755 (Kg) Momen xoắn cực đại 183 (Nm) Tốc độ lớn xe 170 (Km/h) Thông số lốp xe 215/65R16 Tỷ số truyền tay số 1: theo công thức ‚Điều kiện k o‛ [4] với = λ= 293,62 (m) = 621,4 (mm) => = 310,7 (mm) : Bán kính làm việc trung bình bánh xe (m); : Bán kính thiết kế bánh xe, với λ = 0,945 hệ số kể đến biến dạng lốp : Tỷ số truyền truyền lực ( ) Với θ hệ số vòng quay động cơ, chọn θ = 30 Thay số vào, ta có: = 3,5 ipc: Tỷ số truyền hộp số phụ : Hệ số cản chuyển động lớn max f = 0,015 (đường bê tông) I = tg = tg150; độ dốc thường sử dụng để ô tô vượt qua tay số (ta chọn 150) Chọn max = (f+i )Max = 0,283 : Hiệu suất truyền lực Chọn = 0,93 tl tl 230 Ta có: ih1 G rbx max 2,44 t 1.i i pc Me max Theo công thức điều kiện bám: Fkmax ≤ mi.Gb. => Me max i h i o i pc rbx tl m G i b Hệ số bám φ = 0.8 (loại đường thông dụng) hệ số phân bố tải trọng lên bánh xe chủ động (chọn m = 1,2 xe có cầu sau chủ động) i G b r mi 1,2.17550.0,8.0,29362.0,8 bx 6,64 183.0,93.3,5 h Me max i pc i o tl Vậy 2,44 ≤ ih1 ≤ 6,64; Chọn tỷ số truyền ih1 = 3,93 i hk n 1 i h 1(n k ) n - số cấp hộp số; k - số thứ tự số truyền Thay số ta có: + ih1 = 3,93 + ih2 = 2,49 +ih3 = 1,57 + ih4= Tỷ số truyền số lùi chọn khoảng iL = (1,2 - 1,3)ih1 [3]; Chọn iL= 4,716 Tính tốn kích thước hộp số: Tính sơ khoảng cách trục (A): Hình 13 Khoảng cách A trục A = Ka.(Memax)1/3 đó: Ka hệ số kinh nghiệm, xe du lịch Ka= 13 -16; Ka= 16 Qua đó, A = 85,16 (mm) làm trịn A = 85 (mm) Chọn mơ-đun bánh răng: m mn = (0,02 - 0,04) A = 1,7 =>mn (mm) Sơ số tổng cộng cặp bánh ăn khớp 231 Hình 14 Sơ đồ tính tốn số bánh hộp số trục Với trục sơ cấp, trục trung gian, trục thứ cấp Za, Z’a cặp bánh ăn khớp Z1, Z’1; Z2, Z’2; Z3, Z’3 tương đương số 1, 2, Xác định số cặp bánh ăn khớp: – Số lượng Za chủ động cặp bánh luôn ăn khớp chọn theo điều kiện không cắt chân (Za ≥ 13 ) chọn Za= 32 – Số lượng Za’ bánh bị động cặp bánh luôn ăn khớp xác định theo công thức sau: A m Z a Z 'a 2.cos Z ' a 47 Làm tròn số thay đổi A Cơng thức tính sau: A m Z a Z a' 2.cos 2.79 84,13 (mm) 2.0,939 Ta tính tỷ số truyền cặp bánh ăn khớp: ia Z a' 1,46 Za Tỷ số truyền cặp bánh gài số truyền khác hộp số là: đó: ign: Tỷ số truyền cặp bánh gài số truyền thứ n (n = 1 4) Thay số ta có: ig1 3,93 2,69 1,46 Chọn tỷ số truyền số lùi igl = 4,716 232 ig2 2,49 1,7 1,46 ig3 1,57 1,07 1,46 i gn i hn ia Ta có : i gL 4.716 3,23 1,46 Tính toán số chủ động Số cặp bánh dẫn động gài số khoảng cách trục A khơng đổi tính sau: Z gi 2.A.cos m (1 i gi ) Thay số ta được: Z g 13,3 Z g 23,8 Z g 34,6 Z gL 2.A 30,9 m (1 i g ) Vậy ta chọn: Z g1 Z g2 Z g Z gL Số bánh bị động trục thứ cấp theo công thức: Z gi' Z gi i gi Z g' 34,55 chọn Z g' 35 Z g' 32,64 Z g' 35,15 chọn Z g' 35 chọn Z g' 33 Vậy tỷ số truyền hộp số tính lại là: i hn ' Z a' Z gi Z a Z gi Thay số ta được: i h 3,95; i h 2,14; i h 1,38; i h 1; i hl 4.716 4.3 Bản vẽ 2D Hình 15 Bản vẽ chi tiết Autocad 233 4.4 Bản vẽ 3D Hình 16 Bảng vẽ 3D phần SolidWorks Ưu điểm: Mô chi tiết kết cấu hộp số thơng q phần mềm thiết kế, tính tốn thơng số q trình thiết kế chế tạo hộp số, phân tích ảnh hưởng tiếng ồn, độ rung hộp số trình vận hành Ứng dụng: Sử dụng vào việc giảng dạy, giúp sinh viên có nhìn khách quan hộp số Từ làm tảng cho kết cấu chi tiết khác KẾT LUẬN Đề tài nghiên cứu giúp biết cấu tạo, hoạt động tổng quát tên gọi chức chi tết hộp sốc dọc, hiểu rõ ưu nhược điểm thấy ứng dụng rộng rãi Đóng góp thêm nguồn tài liệu hữu ích cho cơng tác giảng dạy trường cao đẳng, đại học trình tìm tòi học hỏi bạn sinh viên Là mấu chốt quan trọng cho việc nghiên cứu, phát triển nghành công nghiệp ô tô Việt Nam bước tối ưu hoàn thiện TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Văn Nhanh, Nguyễn Phụ Thượng Lưu, Đỗ Nhật Trường Giáo trình Kết cấu ô tô, HUTECH [2] Nguyễn Phụ Thượng Lưu Giáo trình Kiểm định chuẩn đốn tơ, HUTECH [3] Tài liệu tính tốn thiết kế tơ - Đặng Quý, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM [4] https://www.comsol.com/blogs/how-to-model-gearbox-vibration-and-noise-in-comsolmultiphysics/ 234 ... hộp số Dải tần chủ yếu nằm khoảng từ 1000 – 3000 Hz Hình Đồ thị tần số dao động với tốc độ trục trung bình, đo điểm vỏ hộp số Phân tích tiếng ồn hộp số: Mô rung động hộp số quan sát cách mơ hình. .. SolidWorks Ưu điểm: Mô chi tiết kết cấu hộp số thông phần mềm thiết kế, tính tốn thơng số trình thiết kế chế tạo hộp số, phân tích ảnh hưởng tiếng ồn, độ rung hộp số trình vận hành Ứng dụng: Sử dụng... chủ động mô tốc động cơ, mô- men xoắn Các điều kiện lái xe xem xét cho mô phỏng: Bảng Giá trị thông số đầu vào 226 Đầu vào Giá trị Tốc độ động 5000 [rpm] Tải mô- men xoắn 1000 [N/m] Tay số 5 Với