Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong kỹ thuật cơ khí ô tô, hệ thống truyền lực đóng vai trò truyền và biến đổi mô men xoắn từ động cơ đốt trong đến các bánh xe chủ động nhằm đảm bảo các chỉ tiêu động lực học và tính kinh tế nhiên liệu của phương tiện. Đồ án "Thiết kế hộp số ô tô" của tác giả Đỗ Hoàng Duy (ngành Cơ khí Ô tô, Viện Cơ khí, Trường Đại học Giao thông Vận tải TP. Hồ Chí Minh, năm 2023 dưới sự hướng dẫn của thầy Thái Văn Nông) tập trung vào việc tính toán, thiết kế kết cấu hộp số cơ khí 6 cấp số tiến và 1 cấp số lùi trang bị cho ô tô tải.
Nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật được xác lập dựa trên bộ thông số ban đầu của xe cơ sở và động cơ:
- Thông số phương tiện: Loại xe tải; công thức bánh xe $4 \times 2$; vị trí lắp động cơ ở cầu trước; khối lượng xe đầy tải là 9.000 kg; khối lượng xe đầy tải phân bố lên cầu sau chủ động là 6.200 kg; quy cách lốp trước và sau là 7,50-16.
- Thông số động cơ: Động cơ diesel có công suất cực đại $N_{e\max} = 120\text{ kW}$ tại số vòng quay định mức $n_N = 3.000\text{ v/ph}$; mô men xoắn cực đại $M_{e\max} = 410\text{ Nm}$ tại số vòng quay $n_M = 1.600\text{ v/ph}$.
- Yêu cầu hệ thống truyền lực: Loại hộp số cơ khí 6 cấp; tỷ số truyền các tay số định mức gồm $i_{h1} = 6,047$; $i_{h2} = 3,362$; $i_{h3} = 1,805$; $i_{h4} = 1,213$; $i_{h5} = 1,000$ (số truyền thẳng); $i_{h6} = 0,845$; tỷ số truyền số lùi $i_L = 5,873$; tỷ số truyền của truyền lực chính (cầu chủ động) $i_0 = 5,621$.
- Yêu cầu sản phẩm thiết kế: Thuyết minh tính toán kỹ thuật hoàn chỉnh (tính toán bánh răng, trục, ổ bi, bộ đồng tốc); lập bản vẽ sơ đồ nguyên lý hộp số, bản vẽ lắp cụm hộp số khổ A1 và các bản vẽ chi tiết liên quan.
Đối tượng nghiên cứu là cụm hộp số cơ khí có cấp trục tâm cố định dùng cho xe tải. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở các bước tính toán động học, xác định thông số hình học của các cặp bánh răng truyền động, tính toán kích thước trục, lựa chọn ổ lăn và kiểm nghiệm độ bền uốn của hệ thống bánh răng trong môi trường làm việc danh định.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán thiết kế
Tác giả sử dụng hệ thống lý thuyết chuyên ngành kỹ thuật ô tô và nguyên lý chi tiết máy, kết hợp các tài liệu tra cứu quy chuẩn trong ngành cơ khí:
- Khung lý thuyết và tài liệu tham khảo kỹ thuật: Dựa trên lý thuyết kết cấu và tính toán ô tô máy kéo, giáo trình Chi tiết máy, Sổ tay công nghệ chế tạo máy, Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí, Lý thuyết ô tô, Sức bền vật liệu, Dung sai và lắp ghép, Vật liệu kỹ thuật.
- Phương pháp xác định tỷ số truyền và động học: Phương pháp giải tích động lực học ô tô để xác định tỷ số truyền số thấp nhất theo điều kiện kéo và điều kiện bám, tính phân bố tỷ số truyền của các tay số trung gian theo cấp số nhân đối với hộp số có số truyền thẳng ($i_{h5} = 1,0$).
- Phương pháp tính toán hình học và kiểm nghiệm bền: Ứng dụng phương pháp giải tích thiết kế chi tiết máy truyền động bánh răng: tính khoảng cách trục sơ bộ theo công thức kinh nghiệm dựa trên mô men cực đại của động cơ ($A = a \cdot \sqrt[3]{M_{e\max}}$); tính chọn mô đun pháp tuyến $m_n$; hiệu chỉnh góc nghiêng răng $\beta$ để đồng nhất khoảng cách trục; tính toán các phản lực và mô men tác dụng lên trục; kiểm nghiệm sức bền uốn của bánh răng dựa trên hệ số tải trọng động, hệ số dạng răng dịch chỉnh $y$, hệ số tập trung ứng suất và hệ số trùng khớp.
- Nguồn dữ liệu: Các công thức, hệ số thực nghiệm và giới hạn ứng suất bền của vật liệu thép hợp kim được tra cứu trực tiếp từ các sổ tay thiết kế cơ khí và giáo trình chuyên ngành Thiết kế và tính toán ô tô máy kéo.
Thiết kế kỹ thuật và thông số kết cấu hộp số
Đồ án lựa chọn phương án bố trí hệ thống truyền động và kết cấu hộp số phù hợp với đặc thù xe tải có động cơ đặt dọc phía trước và dẫn động cầu sau:
- Phương án kết cấu: Hộp số cơ khí 3 trục tâm cố định (trục sơ cấp, trục trung gian, trục thứ cấp) với trục sơ cấp và trục thứ cấp được bố trí đồng tâm. Hộp số gồm 6 cấp số tiến và 1 cấp số lùi. Tay số 5 là số truyền thẳng ($i_{h5} = 1,0$).
- Cơ cấu gài số: Các tay số 2, 3, 4, 5, 6 sử dụng bánh răng trụ răng nghiêng ăn khớp thường xuyên và được đóng gài êm dịu thông qua các bộ đồng tốc. Tay số 1 và số lùi (R) sử dụng bánh răng trụ răng thẳng, gài số bằng phương pháp di trượt khớp răng (yêu cầu xe đứng yên khi gài số).
- Vật liệu chế tạo: Toàn bộ các bánh răng được lựa chọn chế tạo bằng thép hợp kim 20X, nhiệt luyện bằng phương pháp thấm carbon, đạt độ cứng bề mặt $46 \div 53\text{ HRC}$, giới hạn bền kéo $[\sigma_b] = 650\text{ MPa}$, giới hạn chảy $[\sigma_{ch}] = 400\text{ MPa}$.
| Thông số kết cấu | Giá trị thiết kế | Đơn vị |
|---|---|---|
| Khoảng cách trục danh định ($A$) | 155,88 | mm |
| Mô đun pháp tuyến chung ($m_n$) | 6 | mm |
| Chiều rộng vành răng bánh răng nghiêng ($b$) | 50 | mm |
| Chiều rộng vành răng bánh răng thẳng ($b$) | 42 | mm |
| Chiều dài trục sơ cấp ($l_1$) | 180 | mm |
| Chiều dài trục trung gian ($l_2$) | 450 | mm |
| Chiều dài trục thứ cấp ($l_3$) | 400 | mm |
| Đường kính trục sơ cấp ($d_1$) | 69,2 | mm |
| Đường kính trục trung gian ($d_2$) | 72 | mm |
| Đường kính trục thứ cấp ($d_3$) | 72 | mm |
Nội dung chính theo từng phần của đồ án
Phần I: Tổng quan về hộp số ô tô
Tác giả trình bày tổng quan về vai trò, nhiệm vụ và yêu cầu kỹ thuật của hộp số trên ô tô:
- Nhiệm vụ: Biến đổi mô men xoắn và số vòng quay từ động cơ truyền đến bánh xe chủ động phù hợp với sức cản chuyển động; cho phép xe chuyển động lùi; ngắt dòng truyền lực trong thời gian dài khi động cơ vẫn hoạt động; trích công suất dẫn động các thiết bị phụ tác dụng.
- Phân loại: Phân loại chi tiết theo phương pháp thay đổi tỷ số truyền (hộp số có cấp trục tâm cố định/hành tinh; hộp số vô cấp cơ học, ma sát, thủy lực, điện lực) và theo cơ cấu điều khiển (cưỡng bức, bán tự động, tự động).
- Phân tích kết cấu và chọn sơ đồ động học: Phân tích các ưu nhược điểm của hộp số 2 trục và 3 trục. Lựa chọn sơ đồ hộp số 3 trục 6 cấp với cặp bánh răng luôn ăn khớp ở đầu trục sơ cấp sang trục trung gian ($Z_a / Z_a'$), trục sơ cấp chế tạo liền khối với bánh răng chủ động và vành răng gài số truyền thẳng, trục thứ cấp có đầu trước tựa trên ổ bi kim lồng trong lỗ đuôi trục sơ cấp nhằm bảo đảm độ đồng tâm.
Phần II: Tính toán thiết kế các kích thước của hộp số
Trình bày toàn bộ quá trình tính toán giải tích xác định thông số hình học của các chi tiết:
- Khoảng cách trục: Tính sơ bộ khoảng cách trục $A = a \cdot \sqrt[3]{M_{e\max}} = 20 \cdot \sqrt[3]{410} = 148,58\text{ mm}$ (với hệ số kinh nghiệm xe tải $a = 20$), sau đó tính chuẩn hóa khoảng cách trục thực tế đạt $A = 155,88\text{ mm}$.
- Cặp bánh răng luôn ăn khớp: Chọn tỷ số truyền $i_a = 2$; số răng bánh chủ động $Z_a = 15$, số răng bánh bị động $Z_a' = 30$, góc nghiêng răng ban đầu $\beta = 30^\circ$.
- Các cặp bánh răng tay số: Xác định tỷ số truyền từng cặp bánh răng ($i_{gi} = i_n / i_a$), số răng của từng bánh răng trên trục trung gian và trục thứ cấp, hiệu chỉnh góc nghiêng răng $\beta$ để bảo đảm khoảng cách trục cố định.
| Cặp bánh răng | Ký hiệu bánh răng | Tỷ số truyền ($i$) | Góc nghiêng ($\beta$) | Số răng ($Z$) | Mô đun mặt đầu ($m_s$, mm) | Đường kính chia ($d_o$, mm) | Đường kính đỉnh ($d_a$, mm) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Luôn ăn khớp | $Z_a / Z_a'$ | 2,00 | $30^\circ 00'$ | 15 / 30 | 6,928 | 103,90 / 207,84 | 115,90 / 219,84 |
| Tay số 2 | $Z_2 / Z_2'$ | 1,97 | $11^\circ 03'$ | 17 / 34 | 6,110 | 103,80 / 207,70 | 115,80 / 219,70 |
| Tay số 3 | $Z_3 / Z_3'$ | 1,13 | $19^\circ 43'$ | 23 / 26 | 6,360 | 146,28 / 165,36 | 158,28 / 177,36 |
| Tay số 4 | $Z_4 / Z_4'$ | 0,70 | $27^\circ 74'$ | 27 / 19 | 6,770 | 182,70 / 128,60 | 194,70 / 140,60 |
| Tay số 6 | $Z_6 / Z_6'$ | 0,42 | $27^\circ 74'$ | 32 / 14 | 6,770 | 216,64 / 94,78 | 228,64 / 106,78 |
| Tay số 1 (thẳng) | $Z_1 / Z_1'$ | 3,23 | $0^\circ 00'$ | 13 / 42 | 6,000 | 78,00 / 252,00 | 90,00 / 264,00 |
| Tay số lùi (thẳng) | $Z_R / Z_R'$ | 2,87 | $0^\circ 00'$ | 14 / 41 | 6,000 | 84,00 / 246,00 | 96,00 / 258,00 |
| Đảo chiều số lùi | $Z_R'' / Z_R'''$ | 0,89 | $0^\circ 00'$ | 24 / 27 | 6,000 | 144,00 / 162,00 | 156,00 / 174,00 |
- Tính toán kích thước trục và chọn ổ lăn:
- Trục sơ cấp: Đường kính $d_1 = 69,2\text{ mm}$; chiều dài $l_1 = 180\text{ mm}$; chọn ổ bi đỡ tiêu chuẩn kích thước $71 \times 141 \times 35\text{ mm}$.
- Trục trung gian: Đường kính $d_2 = 72\text{ mm}$; chiều dài $l_2 = 450\text{ mm}$; ổ bi đỡ đầu trước $47 \times 103 \times 32\text{ mm}$, ổ bi đỡ đầu sau $47 \times 113 \times 32\text{ mm}$.
- Trục thứ cấp: Đường kính $d_3 = 72\text{ mm}$; chiều dài $l_3 = 400\text{ mm}$; ổ bi đỡ đuôi trục $63 \times 141 \times 35\text{ mm}$; ổ bi kim đỡ gối trước tựa trong trục sơ cấp $36 \times 36 \times 50\text{ mm}$.
Phần III: Kiểm tra bền hộp số
Xác định chế độ tải danh định và kiểm tra bền các phần tử truyền lực chính:
- Mô men xoắn trên các trục: Mô men trên trục sơ cấp $M_{sc} = 410\text{ Nm}$; mô men trên trục trung gian $M_{tg} = M_{e\max} \cdot i_a = 908\text{ Nm}$; mô men trên trục thứ cấp tại số 1 đạt $1.466,42\text{ Nm}$, số 2 đạt $894,38\text{ Nm}$, số 3 đạt $513,02\text{ Nm}$, số 4 đạt $317,80\text{ Nm}$, số 5 đạt $454,00\text{ Nm}$, số 6 đạt $190,68\text{ Nm}$.
- Lực tác dụng lên các cặp bánh răng: Tính toán chi tiết 3 thành phần lực gồm lực vòng ($P$), lực hướng kính ($R$) và lực chiều trục ($Q$).
| Cặp bánh răng kiểm tra | Lực vòng $P$ (N) | Lực hướng kính $R$ (N) | Lực chiều trục $Q$ (N) |
|---|---|---|---|
| Cặp bánh răng luôn ăn khớp | 17,47 | 7,33 | 10,08 |
| Cặp bánh răng gài số 1 | 23,28 | 8,47 | 0,00 |
| Cặp bánh răng gài số 2 | 15,41 | 5,60 | 3,00 |
| Cặp bánh răng gài số 3 | 12,41 | 4,70 | 4,37 |
| Cặp bánh răng gài số 4 | 9,93 | 4,06 | 5,22 |
| Cặp bánh răng gài số 6 | 8,38 | 3,44 | 4,40 |
| Cặp bánh răng gài số lùi | 21,61 | 7,80 | 0,00 |
- Kiểm nghiệm ứng suất uốn của răng: Tính toán theo công thức thực nghiệm với hệ số tải trọng động $K_đ = 2$, hệ số ma sát $K_{ms}$, hệ số độ cứng vững lắp ghép $K_c$, hệ số tải trọng động phụ $K_{tp} = 1,1$, hệ số tập trung ứng suất $K_{gc} = 1,0$ và hệ số trùng khớp $K_\beta = 0,6$ (cho răng nghiêng) hoặc $1,0$ (cho răng thẳng).
Kết quả và đóng góp
Kết quả tính toán chính
Đồ án đã hoàn thiện chuỗi tính toán thiết kế cho hộp số 6 cấp xe tải với các kết quả cụ thể:
- Đã thiết lập hoàn chỉnh bảng thông số hình học cho 8 cặp bánh răng (bao gồm cặp bánh răng luôn ăn khớp, 5 cặp số tiến, cặp số lùi và cặp đảo chiều số lùi).
- Kết quả tính toán ứng suất uốn thực tế trên chân răng tại các cấp số:
- Cặp bánh răng gài số 1: $\sigma_{u1} = 570,850\text{ MPa}$
- Cặp bánh răng gài số 2: $\sigma_{u2} = 422,345\text{ MPa}$
- Cặp bánh răng gài số 3: $\sigma_{u3} = 285,634\text{ MPa}$
- Cặp bánh răng gài số 4: $\sigma_{u4} = 160,650\text{ MPa}$
- Cặp bánh răng luôn ăn khớp: $\sigma_{ua} = 180,675\text{ MPa}$
- Cặp bánh răng gài số lùi: $\sigma_{uR} = 485,756\text{ MPa}$
- Toàn bộ các giá trị ứng suất uốn tính toán đều thỏa mãn điều kiện bền uốn ($\sigma_u < [\sigma_u]$) với hệ số an toàn tính toán nằm trong phạm vi cho phép $K = 1,5 \div 2$.
- Đã xác định đầy đủ kích thước các trục và lựa chọn đồng bộ các dãy ổ bi đỡ tiêu chuẩn cho toàn bộ 3 trục truyền động.
Đóng góp của đồ án
- Hệ thống hóa đầy đủ quy trình tính toán thiết kế hộp số 3 trục 6 cấp cho xe tải 9 tấn dựa trên các thông số động lực học cho trước.
- Đưa ra giải pháp bố trí hướng nghiêng của răng trên trục trung gian cùng chiều nhằm giảm thiểu lực dọc trục tác dụng lên các ổ đỡ.
- Cung cấp bộ số liệu hình học, bảng lực tác dụng và kích thước lắp ghép phục vụ trực tiếp cho công tác lập bản vẽ kỹ thuật cơ khí.
Hạn chế và phạm vi ứng dụng
- Hạn chế: Đồ án tập trung chủ yếu vào phần tính toán động học, kích thước hình học và kiểm nghiệm sức bền uốn tĩnh của bánh răng theo các công thức kinh nghiệm giải tích truyền thống; chưa thực hiện mô phỏng phân tích phần tử hữu hạn (FEA) để đánh giá tập trung ứng suất cục bộ dưới tải trọng thay đổi liên tục.
- Phạm vi áp dụng: Kết quả tính toán và kết cấu hộp số được thiết kế phù hợp trực tiếp cho các dòng xe tải hạng trung có tổng tải trọng 9.000 kg, công thức bánh xe $4 \times 2$, sử dụng động cơ diesel công suất 120 kW.
Giá trị tham khảo
Tài liệu là nguồn tham khảo hữu ích đối với:
- Sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí Ô tô, Kỹ thuật Giao thông làm đồ án môn học Thiết kế Ô tô, Đồ án Chi tiết máy hoặc Đồ án tốt nghiệp chuyên ngành động lực.
- Giảng viên và người làm nghiên cứu cần tư liệu tham khảo về các bước tính toán phân bố tỷ số truyền, bảng thông số kích thước hình học bánh răng trụ răng nghiêng/thẳng, và quy trình lựa chọn ổ lăn theo khoảng cách trục $A$.
- Phần đáng tham khảo nhất là hệ thống bảng tính chi tiết thông số hình học bánh răng (Bảng 3.1 và 3.2) và phương pháp xác định lực tác dụng đa chiều ($P, R, Q$) lên từng cặp bánh răng trong hộp số 3 trục.
Câu hỏi thường gặp
1. Hộp số trong đồ án được thiết kế cho loại xe và động cơ có thông số như thế nào?
Hộp số được thiết kế cho xe tải có công thức bánh xe $4 \times 2$, khối lượng toàn tải 9.000 kg (phân bố cầu sau chủ động 6.200 kg), cỡ lốp 7,50-16. Động cơ trang bị là diesel đặt trước có công suất cực đại $120\text{ kW}$ tại $3.000\text{ v/ph}$ và mô men xoắn cực đại $410\text{ Nm}$ tại $1.600\text{ v/ph}$.
2. Phương án kết cấu hộp số được lựa chọn có đặc điểm gì nổi bật?
Đồ án lựa chọn hộp số cơ khí 3 trục (sơ cấp, trung gian, thứ cấp) với trục sơ cấp và thứ cấp đồng tâm. Hộp số có 6 cấp số tiến và 1 cấp số lùi, trong đó số 5 là số truyền thẳng ($i_{h5} = 1,0$). Bánh răng trên trục trung gian có hướng nghiêng cùng chiều để giảm lực dọc trục.
3. Cơ cấu gài số giữa các cấp số tiến và số lùi được phân chia như thế nào?
Các tay số 2, 3, 4, 5, 6 sử dụng bánh răng trụ răng nghiêng ăn khớp thường xuyên và được gài bằng bộ đồng tốc. Tay số 1 và số lùi sử dụng bánh răng trụ răng thẳng và gài bằng phương pháp di trượt khớp răng.
4. Bánh răng hộp số sử dụng vật liệu gì và các chỉ tiêu cơ tính ra sao?
Bánh răng được chế tạo bằng thép hợp kim 20X, nhiệt luyện thấm carbon đạt độ cứng $46 \div 53\text{ HRC}$, giới hạn bền kéo $[\sigma_b] = 650\text{ MPa}$ và giới hạn chảy $[\sigma_{ch}] = 400\text{ MPa}$.
5. Kết quả kiểm tra bền uốn cho thấy cấp số nào chịu ứng suất uốn lớn nhất?
Cặp bánh răng gài số 1 chịu ứng suất uốn lớn nhất với giá trị $\sigma_{u1} = 570,850\text{ MPa}$, tiếp theo là số lùi với $\sigma_{uR} = 485,756\text{ MPa}$. Tất cả các giá trị ứng suất uốn đều nhỏ hơn giới hạn cho phép $[\sigma_u]$, đảm bảo hệ số an toàn $K = 1,5 \div 2$.
Kết luận
Đồ án "Thiết kế hộp số ô tô" của tác giả Đỗ Hoàng Duy đã giải quyết hoàn chỉnh nhiệm vụ tính toán thiết kế cụm hộp số cơ khí 6 cấp 3 trục cho xe tải 9 tấn dẫn động cầu sau. Nghiên cứu đã xác định đồng bộ các thông số động học, hình học bánh răng nghiêng/thẳng, kích thước các trục truyền và ổ lăn theo tiêu chuẩn. Các kết quả kiểm nghiệm sức bền uốn và phản lực tiếp xúc đều thỏa mãn điều kiện làm việc an toàn của hệ thống truyền lực ô tô.