Thuyết minh chi tiết đề tài: Thiết kế hộp số cơ khí 5 cấp 3 trục cho ô tô

Tài liệu thuyết minh chi tiết đồ án thiết kế hộp số cơ khí 5 cấp 3 trục cho ô tô, bao gồm các bước tính toán thông số và xây dựng bản vẽ kỹ thuật.

• Tác giả: Nguyễn Văn Nhật
• Người hướng dẫn: KS. Hồ Minh Quang
• Trường học: Trường Đại học Giao thông vận tải Phân hiệu tại TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật ô tô
• Đề tài: Thiết kế hộp số cơ khí 5 cấp số 3 trục của ô tô
• Loại tài liệu: Đồ án môn học
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Thiết Kế Hộp Số Ô Tô 5 Cấp

Hộp số ô tô 5 cấp là một hệ thống truyền động quan trọng trong các phương tiện hiện đại. Đây là một đồ án thiết kế phức tạp yêu cầu kiến thức sâu về cơ khí, động lực học và kỹ thuật thiết kế. Hộp số 5 cấp được thiết kế để thay đổi momen truyền đến bánh xe chủ động, đảm bảo tính chất động lực tối ưu và tiết kiệm nhiên liệu. Mục đích chính của thiết kế hộp số cơ khí là tạo ra một hệ thống có 3 trục chính, bao gồm trục chủ động, trục trung gian, và trục bị động. Mỗi cấp số được tạo thành từ các cặp bánh răng với tỉ số truyền khác nhau. Hộp số ô tô phải đáp ứng các yêu cầu về sức bền, độ chính xác cao và hoạt động êm ái.

1.1. Công Dụng và Yêu Cầu Của Hộp Số

Hộp số ô tô có hai chức năng chính: thay đổi momen truyền động và thực hiện chuyển động lùi. Để đảm bảo hoạt động hiệu quả, thiết kế hộp số 5 cấp phải thỏa mãn các yêu cầu kỹ thuật khắt khe. Hộp số cần có đủ tỉ số truyền để đảm bảo tính kinh tế nhiên liệu. Ngoài ra, hệ thống phải được trang bị bộ đồng tốc để gài số mượt mà, tránh va đập trên bánh răng. Cơ cấu chống gài hai số là thiết bị an toàn quan trọng ngăn chặn gài số nhầm.

1.2. Phân Loại Và Cấu Trúc Cơ Bản

Hộp số ô tô được phân loại thành nhiều loại dựa trên cơ chế hoạt động. Hộp số cơ khí 5 cấp 3 trục là loại phổ biến nhất trong thiết kế hiện đại. Cấu trúc bao gồm: trục chủ động nhận động lực từ động cơ, trục trung gian có các bánh răng tương ứng với 5 cấp số, và trục bị động truyền động đến bánh xe. Mỗi cấp số được tạo bằng cách tổ hợp các bánh răng với tỉ số truyền khác nhau để đạt được hiệu suất tối ưu.

II. Tính Toán Tỉ Số Truyền và Số Cấp Hộp Số

Quá trình tính toán tỉ số truyền là bước quan trọng nhất trong thiết kế hộp số ô tô 5 cấp. Tỉ số truyền được xác định dựa trên các thông số kỹ thuật của động cơ, khối lượng xe, và điều kiện làm việc dự kiến. Tỉ số truyền số thấp nhất (i_h1) thường được lựa chọn đầu tiên vì nó quyết định khả năng tăng tốc và leo dốc của xe. Các tỉ số truyền cấp khác được tính toán dựa trên lựa chọn sơ đồ động phù hợp. Công thức tính số cấp của hộp số dựa vào các thông số động cơ, tốc độ tối đa và yêu cầu hiệu suất. Bước này đòi hỏi sử dụng các phương trình toán học phức tạp và kinh nghiệm thực tế.

2.1. Lựa Chọn Sơ Đồ Động Học

Sơ đồ động học hộp số quyết định cách bố trí các bánh răng trên các trục. Đối với hộp số 5 cấp 3 trục, sơ đồ động học phải được thiết kế sao cho các cấp số hoạt động hiệu quả. Mỗi cấp số được hình thành bằng cách kích hoạt một cặp bánh răng cụ thể. Sơ đồ động học cũng phải đảm bảo rằng trục chủ động, trục trung gian, và trục bị động hoạt động đồng bộ.

2.2. Tính Tỉ Số Truyền Số Thấp Nhất

Tỉ số truyền số thấp nhất (i_h1) được tính toán để đảm bảo xe có khả năng leo dốc và tăng tốc tốt. Công thức tính phụ thuộc vào lực cản, khối lượng xe, và công suất động cơ. Thiết kế hộp số phải cân bằng giữa hiệu suất tăng tốc và tiết kiệm nhiên liệu ở tốc độ cao bằng cách chọn tỉ số truyền phù hợp cho từng cấp.

III. Tính Toán Kích Thước Trục và Bánh Răng

Tính toán kích thước trục là một phần then chốt của đồ án thiết kế hộp số ô tô. Đường kính trục được xác định dựa trên công thức kinh nghiệm và các tiêu chuẩn kỹ thuật. Mỗi trục phải có đủ độ cứng để chịu các lực quay và lực ngang tác dụng từ bánh răng. Chiều dài trục hộp số được tính toán từ mối quan hệ giữa đường kính và chiều dài để đảm bảo cân bằng giữa sức bền và kích thước gọn nhẹ. Tính toán số răng của các bánh răng phụ thuộc vào tỉ số truyền và điều kiện chế tạo. Kích thước hộp số cuối cùng được xác định từ các kích thước của các thành phần bên trong.

3.1. Xác Định Khoảng Cách Trục Hộp Số

Khoảng cách trục giữa trục chủ động và trục trung gian, cũng như giữa trục trung gian và trục bị động, là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến kích thước tổng thể của hộp số. Khoảng cách trục được tính toán dựa trên kích thước bánh răng để đảm bảo lưới đều và không gây va đập. Giá trị này cũng ảnh hưởng đến tỉ số truyền thực tế và hiệu suất truyền động.

3.2. Tính Toán Số Răng và Kích Thước Bánh Răng

Số răng của mỗi bánh răng được tính toán dựa trên tỉ số truyền mong muốn và điều kiện chế tạo. Số răng tối thiểu phải đảm bảo không bị dính, trong khi số răng tối đa phải tuân theo giới hạn kỹ thuật. Kích thước bánh răng bao gồm đường kính vòng chia, chiều rộng bánh răng, và hệ số mô đun. Momen quán tính của bánh răng được tính toán để phục vụ cho các bước thiết kế bộ đồng tốc sau.

IV. Thiết Kế Bộ Đồng Tốc và Xây Dựng Bản Vẽ Kỹ Thuật

Bộ đồng tốc là thành phần quan trọng trong hộp số ô tô 5 cấp giúp gài số mượt mà mà không gây va đập. Thiết kế bộ đồng tốc bao gồm tính toán momen ma sát cần thiết, bán kính ma sát, và góc nghiêng của bề mặt hãm. Thời gian chuyển số thực tế phụ thuộc vào momen quán tính khối lượng tổng cộng quy dẫn về trục li hợp. Công trượt của bề mặt ma sát phải được kiểm tra để đảm bảo độ bền của bộ đồng tốc. Bước cuối cùng là xây dựng bản vẽ kỹ thuật 3D của toàn bộ hộp số bao gồm tất cả các thành phần: trục, bánh răng, bộ đồng tốc, và vỏ hộp.

4.1. Tính Toán Bộ Đồng Tốc

Momen ma sát của bộ đồng tốc được xác định từ momen quán tính của các bộ phận cần đồng tốc. Bán kính ma sát ảnh hưởng trực tiếp đến kích thước và hiệu suất của bộ đồng tốc. Chiều rộng bề mặt hãm phải đủ để phân tán nhiệt độ và đảm bảo độ bền. Góc nghiêng của bề mặt hãm quyết định tính chất ma sát và tuổi thọ của bộ đồng tốc.

4.2. Vẽ Bản Vẽ Kỹ Thuật và Lắp Ráp 3D

Bản vẽ kỹ thuật của hộp số ô tô được vẽ bằng các phần mềm CAD hiện đại như CATIA hay Solidworks. Bản vẽ 3D bao gồm các bộ phận: nhóm trục chủ động, nhóm trục trung gian, nhóm trục bị động, và nhóm bánh răng số lùi. Mỗi thành phần phải được thiết kế chi tiết với các kích thước chính xác. Bản vẽ lắp cuối cùng cho thấy cách các bộ phận kết hợp với nhau để tạo thành hộp số 5 cấp hoàn chỉnh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỘP SỐ Ô TÔ 1. Công dụng của hộp số ôtô - Hộp số dùng để thay đổi momen truyền đến các bánh xe chủ động, đủ thắng lực cản chuyển động của ôtô thay đổi khá nhiều trong quá trình làm việc. - Ngoài ra, hộp số còn dùng để thực hiện chuyển động lùi hoặc đứng yên của ôtô trong khoảng thời gian dài mà không cần phải tắt máy. Yêu cầu đối với hộp số ô tô - Để đảm bảo công dụng đã nêu ở trên, ngoài các yêu cầu chung về sức bền và kết cấu gọn, hộp số ôtô phải thỏa mãn các yêu cầu đặc trưng sau: + Hộp số ôtô phải có đủ tỉ số truyền cần thiết nhằm đảm bảo tốt tính chất động lực và tính kinh tế nhiên liệu khi làm việc.

+ Khi gài số không sinh ra các lực va đập lên các bánh răng nói riêng và hệ thống truyền lực nói chung. Muốn vậy hộp số phải có các bộ đồng tốc để gài số hoặc ống dễ gài số. + Hộp số phải có vị trí trung gian để có thể ngắt truyền động của động cơ khỏi hệ thống truyền lực trong khoảng thời gian dài. + Hộp số phải có cơ cấu chống gài hai số cùng lúc để đảm bảo an toàn cho hộp số không bị gãy vỡ răng.

+ Hộp số phải có số lùi để ôtô có thể chuyển động lùi, đồng thời phải có cơ cấu chống gài số lùi một cách ngẫu nhiên. + Điều khiển sang số nhẹ nhàng, quá trình làm việc êm dịu, hiệu suất truyền động cao. Phân loại hộp số ô tô - Với các yêu cầu nêu trên, tùy theo tính chất truyền momen cũng như sơ đồ động học mà hộp số ôtô có thể được phân loại như sau: a. Theo tính chất truyền momen: Có thể phân hộp số ôtô ra làm hai loại là hộp số vô cấp và hộp số có cấp.

Hộp số vô cấp + Hộp số vô cấp có momen truyền qua hộp số biến đổi liên tục và do đó tỉ số truyền động học cũng thay đổi liên tục. + Hộp số vô cấp trên ôtô chủ yếu là kiểu truyền động bằng thủy lực. Hộp số có cấp 4 + Bao gồm một số cấp hữu hạn (thường từ 3 đến 20 cấp) + Ứng với mỗi cấp là một giá trị momen. Do đó tốc độ truyền qua hộp số là không đổi.

Theo số trục chứa các bánh răng truyền số: Có thể phân hộp số ôtô ra làm 2 loại là hộp số 2 trục và hộp số 3 trục b. Hộp số 2 trục + Hộp số 2 trục gồm: Trục sơ cấp gắn bánh răng chủ động của số truyền, trục thứ cấp gắn bánh răng bị động tương ứng. + Hộp số 2 trục không thể tạo ra được số truyền thẳng, do đó hiệu suất của mọi cấp số truyền trong hộp số luôn luôn nhỏ hơn 1. + Ưu và nhược điểm của hộp số 2 trục: Ưu điểm: Cho phép tạo nên hệ truyền lực gọn, hiệu suất truyền lực nói chung cao (các số truyền của hộp số 2 trục chỉ qua 1 cặp bánh răng ăn khớp).

Nhược điểm: Kích thước theo chiều ngang lớn hơn hộp số 3 trục đồng trục khi có cùng tỉ số truyền.1 - Sơ đồ động hộp số hai trục. Hộp số 3 trục (Hộp số đồng trục) Hình 1.2 - Sơ đồ động hộp số 3 trục với 1 trục trung gian 5 + Kết cấu hộp số đồng trục thường có ít nhất 3 trục truyền động: Trục sơ cấp và trục thứ cấp lắp đồng trục. Ngoài ra còn có thêm trục trung gian. + Trục trung gian có thể có 1, 2 hoặc 3 trục bố trí xung quanh trục sơ cấp và thứ cấp nhằm tăng độ cứng vững cho trục thứ cấp, duy trì sự ăn khớp tốt nhất cho các cặp bánh răng lắp trên trục.

+ Ưu và nhược điểm của hộp số 3 trục: Ưu điểm: Cho phép tạo ra số truyền thẳng (không qua cặp bánh răng truyền động nào) nên hiệu suất cao. Điều này có ý nghĩa rất lớn vì phần lớn thời gian làm việc của hộp số ôtô là số truyền thẳng, cho phép nâng cao hiệu suất truyền của hộp số, giảm tiêu hao nhiên liệu và tăng tuổi thọ hộp số. Nhược điểm: Trục thứ cấp phải bố trí gối lên trục sơ cấp thông qua ổ bi đặt bên trong phần rỗng của đầu ra trục sơ cấp. Do bị khống chế bởi điều kiện kết cấu nên ổ bi đầu trục thứ cấp không được chọn theo tiêu chuẩn mà phải tính toán thiết kế riêng, làm cho ổ bi này dễ bị quá tải.

Tuy nhiên thì thời gian làm việc thực tế của ổ bi không nhiều nên ít ảnh hưởng đến tuổi thọ. Chỉ được sử dụng hạn chế trên các ôtô tải lớn và cực lớn do kết cấu khá cồng kềnh, nặng nề.3 - Sơ đồ động hộp số 3 trục với 2 trục trung gian c. Theo số cấp của hộp số: Có thể phân hộp số ra thành 2 loại là hộp số thường và hộp số nhiều cấp. Hộp số thường (số cấp từ 3 đến 6) + Số cấp của hộp số ảnh hưởng lớn đến tính năng động lực cũng như tính kinh tế nhiên liệu của ôtô.

+ Hộp số 3 cấp được sử dụng cho những ôtô du lịch có thể tích công tác lớn và vừa (Vct 2000 cm3). + Hộp số 4 cấp thường sử dụng đối với ôtô du lịch có thể tích công tác nhỏ nhằm sử dụng hợp lí công suất của động cơ và nâng cao tính kinh tế nhiên liệu của ôtô 6 Hình 1.4 - Sơ đồ động hộp số 4 cấp ôtô du lịch + Ngày nay, để sử dụng tốt nhất công suất của động cơ, nâng cao tính kinh tế nhiên liệu của ôtô và tăng tuổi thọ cho động cơ, hộp số 5 cấp được sử dụng trên ôtô du lịch trong đó số truyền thứ 5 thường là số truyền tăng (ih5 <1).5 - Sơ đồ động hộp số 5 cấp ôtô du lịch + Đối với ôtô tải, thường được thiết kế với tiêu chí tiêu hao nhiên liệu thấp, tính động học không cao nên hộp số thường được thiết kế với số cấp 5 hoặc 6.6 - Sơ đồ động hộp số 5 cấp ôtô tải 7 + Để nâng cao tính động lực và tính kinh tế nhiên liệu, cũng như tăng tuổi thọ cho động cơ. Ngày nay hộp số ôtô tải thường có số truyền tăng để chạy trên đường tốt hoặc chạy không tải.7 - Sơ đồ động hộp số 6 cấp ôtô tải c. Hộp số nhiều cấp ( số cấp từ 8 đến 20) + Đối với ôtô tải lớn và rất lớn, làm việc trong điều kiện nặng nhọc ( trên nhiều loại đường khác nhau) thì số cấp của hộp số có thể lên đến 8 cho tới 20 cấp.

Với hộp số như vậy phải có cơ cấu điều khiển phụ và khi đó kết cấu hộp số được chia làm 2 phần là hộp số chính và hộp số phụ.6 - Sơ đồ động hộp số nhiều cấp với hộp số phụ bố trí phía sau + Để nâng cao hiệu suất của hộp số nhiều cấp thì hộp số phụ thường được thiết kế 2 cấp theo sơ đồ động học của bộ truyền kiểu hành tinh, nên hộp số có cấu tạo phức tạp và cồng kềnh hơn.7 - Sơ đồ động hộp số nhiều cấp với hộp số phụ kiểu hành tinh + Nếu hộp số nhiều cấp có số cấp là 8 hoặc 10 và có số truyền tăng, thì có thể bố trí hộp số phụ 2 cấp (1 truyền thẳng và một truyền tăng) ở phía trước hộp số chính cho phép nâng cao hiệu suất của hộp số nhiều cấp.8 - Sơ đồ động hộp số nhiều cấp với hộp số phụ bố trí phía trước + Ngoài ra, nếu số cấp là 16 hoặc 20 và có số truyền tăng hoặc không có truyền tăng nhưng công bội q nhỏ (q 1,2 1,3) thì có thể kết hợp hộp số phụ kiểu chia 2 cấp phía trước và hộp số phụ kiểu hành tinh bố trí phía sau hộp số chính. CHƯƠNG 2: TÍNH TỈ SỐ TRUYỀN CỦA SỐ THẤP NHẤT VÀ TÍNH SỐ CẤP CỦA HỘP SỐ 2. Lựa chọn sơ đồ động của hộp số Thông số cho trước : Phương án 20 Xe ô tô khách, động cơ Điesel Công suất cực đại : Nemax = 400 HP tại nN =1900 (vòng/phút) Momen xoắn cực đại : Memax = 870 Nm tại n M =1200 (vòng/phút) Tải trọng trên các cầu : Ga1 =70000 N ; Ga2 =100000 N 9 Dãy tỉ số truyền : ih1 ih2 ih3 ih4 ih5 ihR ih0 7,10 4,35 2,66 1,63 1,00 6,26 5,50 Hộp số 3 trục Ký hiệu lốp : 13R22.5 Sơ đồ hộp số là loại 3 trục 2. Tính tỉ số truyền của số thấp ih1 - Giá trị tỉ số truyền số thấp nhất i h1 được xác định theo điều kiện kéo như sau: Theo tài liệu [1]: ψ max .rbx ih1 M emax .ηt - Trong đó: + Ga là trọng lượng toàn bộ của ôtô (N).

Ga =Ga1+Ga2 =170000 (N). + max là hệ số cản chuyển động lớn nhất của đường. Chọn max =0,30- 0,40 chọn=0,3 bảng B2-1 trang 43 tài liệu [1] + rbx là bán kính làm việc của bánh xe chủ động (m).25,4=(13+ )=615,95 mm =0,616 m 2 2 + Memax là momen quay cực đại của động cơ (N. + t là hiệu suất của hệ thống truyền lực.

+ i0 là tỉ số truyền của truyền lực chính. Giá trị tỉ số truyền của truyền lực chính i 0 cùng với tỉ số truyền cao nhất của hộp số ihn được xác định theo tốc độ chuyển động lớn nhất của ôtô V amax (m/s) ứng với tốc độ góc lớn nhất của động cơ emax (rad/s) như sau: Theo tài liệu [1]: ωemax.Vamax 10 Trong đó: + ihn là giá trị tỉ số truyền cao nhất của hộp số, thường chọn i hn =1. + emax là tốc độ góc lớn nhất của động cơ (rad/s). Đối với ôtô khách sử dụng động cơ Diesel thì emax = N.

Với N là tốc độ góc ứng với công suất cực đại của động cơ (rad/s).n N Suy ra: N= 30 30 Nên emax = N =198,97 (rad/s) ψ max .0,616 - Và: ih1 = 7,34 M emax. Kiểm tra tỉ số truyền ih1 theo điều kiện bám: Theo tài liệu [1]: φ.rbx ih1 M emax .η t - Trong đó: + G là trọng lượng bám của ôtô (N). Theo tài liệu [1]: G =G. m Ở đây: +G là trọng lượng phân bố lên các cầu chủ động (N).

Đối với ôtô khách cầu sau chủ động, có thể lấy: 70. 100 +m là hệ số phân bố tải trọng lên cầu chủ động. Theo tài liệu [1] trang 43 : m 1,2 1,35. Ta chọn m =1,2 Suy ra: G =G.

+ là hệ số bám giữa lốp và mặt đường. 11 Theo tài liệu [1] có thể chọn =0,7 0,8.0,616 - Suy ra: ih1 = 14,46 M emax.