Nghiên cứu thiết kế cơ cấu dẫn động vạn năng điều khiển hộp số cơ khí thông qua bộ truyền vi sai bánh răng

1 BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGUYỄN VĂN CUNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CƠ CẤU DẪN ĐỘNG VẠN NĂNG ĐIỀU KHIỂN HỘP SỐ CƠ KHÍ THÔNG QUA BỘ TRUYỀN VI SAI BÁNH RĂNG Chuyên ngành: Kỹ thuật Ô tô Máy kéo Mã số: 60.52.35 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2012 2 Công trình được hoàn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: TS.NGUYỄN HOÀNG VIỆT Phản biện 1: TS. PHAN MINH ĐỨC Phản biện 2: PGS.TS. NGUYỄN VĂN BANG Luận văn được bảo vệ tại hội đồng chấm luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 25 tháng 03 năm 2012 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm thông tin - H ọc liệu, Đại học Đà Nẵng - Trung tâm học liệu, Đại học Đà Nẵng. 3 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Việc điều khiển ôtô có đòi hỏi người vận hành phải tác dụng các lực cơ học lớn, điều đó làm tăng cường sự tập trung, dẫn đến giảm năng suất làm việc đồng thời giảm tính an toàn chuyển động của ôtô. Vì lẽ đó cần phải đơn giản và giảm nhẹ quá trình điều khiển ôtô là một yêu cầu mà các nhà thiết kế và chế tạo đặt lên ở mức cao. Một trong những hệ thống quan trọng của ôtô là hệ thống truyền lực mà các nhà thiết kế đặc biệt quan tâm. Khi vận hành ôtô cần thiết phải thay đổi tốc độ chuyển động và giá trị lực kéo trên các bánh xe chủ động trong một phạm vi rộng nên tất cả các ôtô đều phải được lắp hộp số. Hiện nay sử dụng phổ biến nhất trên ôtô là các hộp số có cấp, không tự động đổi số mà người lái phải thực hiện tùy thuộc vào điều kiện chuyển động yêu cầu. Những hộp số này có ưu điểm đơn giản, giá thành rẻ, làm việc tin cậy hiệu suất cao. Tuy nhiên đối với một số loại ôtô tải trọng lớn người lái phải thường xuyên tác dụng lực lớn khi chuyển số. Bởi vậy vấn đề chính là đơn giản hóa việc điều khiển hộp số, giảm nhẹ lao động cho người lái. Có nhiều hệ thống khác nhau để giải quyết vấn đề giảm nhẹ việc điều khiển hộp số như: hộp số bán tự động, hộp số tự động hóa, hộp số tự động, hộp số kết hợp giữa tự động hóa và tự động cũng được sử dụng rộng rãi. Hiện nay, hướng chủ yếu để giảm nhẹ và đơn giản quá trình điều khiển ôtô thường là ứng dụng hộp số thuỷ cơ, chúng cho phép gi ải phóng hoàn toàn hoặc một phần điều khiển trực tiếp của người lái, điều đó cải thiện được một cách đáng kể điều kiện lao động và nâng cao khả năng an toàn chuyển động của ôtô. 4 Tuy nhiên, với điều kiện ở Việt Nam việc chế tạo các hộp số tự động và kết hợp như hộp số thủy cơ, đó là một cơ cấu hoàn toàn mới về kết cấu, đòi hỏi có các thiết bị đặc biệt và công nghệ sản xuất mới, có cấu tạo phức tạp, giá thành cao. Để giảm nhẹ và đơn giản hóa quá trình điều khiển hệ thống truyền lực ôtô mà tránh được những nhược điểm nói trên nên tác giả chọn đề tài “Nghiên cứu thiết kế cơ cấu dẫn động vạn năng điều khiển hộp số cơ khí thông qua bộ truyền vi sai bánh răng”. Đặc điểm chính của cơ cấu này là sử dụng năng lượng của các trục quay để tạo ra cơ năng điều khiển hộp số. Với cơ cấu dẫn động vạn năng thông qua bộ truyền vi sai bánh răng, có thể điều khiển bằng các tín hiệu điện từ với công suất rất nhỏ. Điều đó cho phép người lái điều khiển hệ thống truyền lực chỉ nhờ nút bấm hay cần gạt bố trí trên bảng điều khiển, làm khớp nối dịch chuyển trên trục thứ cấp hộp số, để nối trục thứ cấp với các bánh răng tương ứng. Kết quả là sẽ nhận được các tỷ số truyền khác nhau tương ứng với các cặp bánh răng luôn ăn khớp trong hộp số. Ngoài ra cơ cấu có kết cấu nhỏ gọn nên đáp ứng được các yêu cầu về độ bền, độ tin cậy, làm việc chắc chắn nâng cao khả năng chịu tải và tuổi thọ cho các chi tiết của hộp số và giảm được lực cho người lái. 2. Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu thiết kế cơ cấu dẫn động vạn năng nhờ sử dụng năng lượng của các trục quay tạo ra cơ năng điều khiển hộp số bằng các tín hiệu điện từ nhờ các nút bấm hay cần gạt bố trí trên bảng điều khiển, nhằm làm đơn giản và giảm nhẹ quá trình điều khiển hộp số c ơ khí. 5 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Cơ cấu dẫn động vạn năng điều khiển hộp số truyền động cơ khí, 4 số tiến và 1 số lùi trên ôtô du lịch 4 chỗ ngồi. Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu, tính toán, thiết kế cơ cấu dẫn động vạn năng điều khiển hộp số thông qua bộ truyền vi sai bánh răng trên ôtô du lịch 4 chỗ ngồi. 4. Phương pháp nghiên cứu: 4.1. Nghiên cứu lý thuyết: - Nghiên cứu đặc điểm động học và động lực học bộ truyền vi sai. - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về cơ cấu dẫn động vạn năng điều khiển hộp số. 4.2. Nghiên cứu thiết kế: Tính toán và vẽ kết cấu của cơ cấu dẫn động vạn năng điều khiển hộp số. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Ý nghĩa thực tiễn của đề tài là có thể làm đơn giản và giảm nhẹ quá trình điều khiển hộp số cơ khí với kết cấu đơn giản, tiêu tốn ít năng lượng và làm việc có độ tin cậy cao, giá thành thấp. Trên cơ sở đó có thể ứng dụng vào điều khiển hộp số cơ khí dùng cho các ôtô tương đương, đồng thời mở ra hướng nghiên cứu tự động hoá quá trình điều khiển ly hợp cũng như một số cơ cấu truyền động khác trên ôtô, máy kéo. 6. Cấu trúc của luận văn: Ngoài phần mở đầu và kết luận, lu ận văn gồm 5 chương. Chương 1: Tổng quan về bộ truyền vi sai Chương 2: Lý thuyết chung về điều khiển hộp số 6 Chương 3: Giới thiệu chung về hộp số và ôtô du lịch 4 chỗ ngồi Chương 4: Khả năng dùng cơ cấu dẫn động vạn năng điều khiển hộp số cơ khí Chương 5: Thiết kế cơ cấu dẫn động vạn năng điều khiển hộp số cơ khí trên ôtô du lịch 4 chỗ ngồi Chương 1. TỔNG QUAN VỀ BỘ TRUYỀN VI SAI 1.1. Khái niệm, phân loại và phạm vi ứng dụng cơ cấu vi sai 1.1.1. Khái niệm 1.1.2. Phân loại và phạm vi ứng dụng cơ cấu vi sai 1.1.2.1. Phân loại - Theo kết cấu; - Theo công dụng; - Theo mức độ tự động; - Theo giá trị của hệ số hãm vi sai. 1.1.2.2. Phạm vi ứng dụng của cơ cấu vi sai Trên ôtô thường dùng cơ cấu vi sai bánh răng trụ trong các hộp số, truyền động cuối cùng cho bánh xe, Vi sai bánh răng côn thường dùng trong cầu chủ động để truyền động cho các trục bánh xe, phân phối mômen giữa các cầu; Vi sai đối xứng trong trường hợp ma sát trong bé thường dùng trong cầu chủ động để truyền động cho các trục bánh xe; Vi sai không đối xứng thường dùng trong hộp phân phối của ôtô nhi ều cầu; Vi sai tự hãm thường sử dụng trên ôtô con để tăng tính năng cơ động và độ ổn định khi xe quay vòng… 7 1.2. Cơ sở lý luận về cơ cấu vi sai [13] 1.2.1. Nguyên lý chung 1.2.1.1. Tỷ số truyền Cơ cấu vi sai là một hệ bánh răng gồm có các khâu: bánh răng trung tâm 1, bánh răng hành tinh 2, cần dẫn C (hình 1.1). Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý cơ cấu vi sai. 1. Bánh răng trung tâm; 2. Bánh răng hành tinh; C. Cần dẫn. 1.2.1.2. Phân bố mômen quay trong cơ cấu vi sai Công thức tính vận tốc góc tương đối của các khâu 1, 2 so với cần C. C C ωωω −= 11 C C ωωω −= 22 Quan hệ vận tốc của cơ cấu biểu thị bằng tỷ số truyền giữa khâu 1 và khâu 2 khi cần C không chuyển động: (1.1) 1.2.1.3. Các h ệ số đánh giá hiệu quả vi sai 1.2.2. Một số sơ đồ cơ cấu vi sai 1.2.2.1. Vi sai bánh răng trụ C 2 1 1 2 2 1 2 1 12 Z Z i C C C C C −= − − == ωω ωω ω ω C i 12 8 1.2.2.2. Vi sai bánh răng côn 1.3. Sử dụng cơ cấu vi sai để dẫn động hộp số Chọn sơ đồ vi sai bánh răng côn (Hình 1.5) để điều khiển dẫn động hộp số Hình 1.5. Sơ đồ cơ cấu vi sai bánh răng côn dẫn động hộp số. 1,3. Bánh răng trung tâm; 2. Bánh răng hành tinh; 4. Trục dẫn động; 5. Trục bánh răng trung tâm; C. Cần dẫn. Chương 2. LÝ THUYẾT CHUNG VỀ ĐIỀU KHIỂN HỘP SỐ 2.1. Yêu cầu về tự động điều khiển hộp số [12] 2.1.1. Yêu cầu giảm nhẹ việc điều khiển hộp số 2.1.2. Các biện pháp giảm nhẹ việc điều khiển hộp số 2.1.3. Điều kiện chuyển số 2.2. Điều khiển tự động và bán tự động hộp số có cấp 2.2.1. Các hộp số có cấp với trục cố định 2.2.1.1. Cơ cấu chuyển số 2.2.1.2. Bộ tự động chuyển số 2.2.2. Các hộp số tự động vô cấp dạng liên hợp - truyền động th ủy cơ 2.2.2.1. Các khái niệm cơ bản 2.2.2.2. Biến mômen thủy lực C 2 1 3 5 4 9 Chương 3. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỘP SỐ VÀ ÔTÔ DU LỊCH 4 CHỖ NGỒI 3.1. Giới thiệu chung về ôtô du lịch ở Việt Nam 3.2. Hộp số ôtô du lịch 4 chỗ ngồi 3.2.1. Khái niệm về các loại hộp số đang được sử dụng hiện nay 3.2.2. Đặc điểm chung của hộp số cơ khí có cấp [11] 3.2.2.1. Số cấp của hộp số Theo lý thuyết ôtô: (3.1) n - Số cấp của hộp số. i hI - Giá trị tỷ số truyền thấp nhất của hộp số. i hn - Giá trị tỷ số truyền của số cao nhất. q - Công bội của dãy tỷ số truyền, khi tính toán có thể chọn công bội trung bình q theo khoảng kinh nghiệm sau: + Đối với hộp số thường : q = 1,50 ÷ 1,70. + Đối với hộp số nhiều cấp: q = 1,20 ÷ 1,40. 3.2.2.2. Tỷ số truyền của hộp số 3.2.3. Đặc điểm cấu tạo của hộp số cơ khí có cấp [11] 3.2.4. Cơ cấu điều khiển hộp số [7] 3.2.4.1. Cơ cấu điều khiển trực tiếp 3.2.4.2. Cơ cấu điều khiển hộp số thông qua cần nối 3.2.4.3. Cơ cấu tránh vào hai số một lúc. ( ) 1 log loglog 1 + − =⇒= − q ii n i i q hnhI n hn hI 10 3.2.5. Bộ đồng tốc [7] Cấu tạo và nguyên lý làm việc của bộ đồng tốc kiểu tấm trượt Hình 3.5. Bộ đồng tốc kiểu tấm trượt. 1, 4. Vòng đồng tốc; 2. Vòng khóa lò xo; 3. Ống trượt ngoài; 5. Mặt côn 6. Moay-ơ; 7. Tấm trượt 3.3. Phân tích ưu nhược điểm của cơ cấu điều khiển hộp số - Kết cấu đơn giản, giá thành rẽ. - Làm việc tin cậy, hiệu suất cao. - Tốn sức lực người lái. - Tốn thời gian sang số, hộp số làm việc không êm dịu như hộp số tự động. - Khi cần nhiều tỷ số truyền thì kết cấu hộp số sẽ cồng kềnh phức tạp. . ĐỘNG VẠN NĂNG ĐIỀU KHIỂN HỘP SỐ CƠ KHÍ. 4.1. Sơ đồ cơ cấu dẫn động vạn năng điều khiển hộp số cơ khí Hình 4.1. Sơ đồ cơ cấu dẫn động vạn năng điều khiển hộp. cơ cấu vi sai để dẫn động hộp số Chọn sơ đồ vi sai bánh răng côn (Hình 1.5) để điều khiển dẫn động hộp số Hình 1.5. Sơ đồ cơ cấu vi sai bánh răng côn dẫn