Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đồ án môn học "Tính toán thiết kế ô tô" với đề tài "Tính toán thiết kế hộp số sàn ô tô" được thực hiện bởi nhóm ba sinh viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô tại Viện Kỹ thuật HUTECH, dưới sự hướng dẫn của giảng viên Huỳnh Quang Thảo (thời gian thực hiện từ ngày 17/09/2022 đến ngày 10/12/2022). Hộp số là cụm chi tiết trung gian cốt lõi trong hệ thống truyền lực, thực hiện nhiệm vụ biến đổi mô men và vận tốc góc từ động cơ để tạo ra lực kéo phù hợp tại các bánh xe chủ động theo từng điều kiện chuyển động, thay đổi chiều chuyển động (tiến hoặc lùi), và ngắt động cơ lâu dài khỏi hệ thống truyền lực khi xe chạy không tải hoặc dừng đỗ. Việc tính toán thiết kế hộp số sàn (MT) giúp người học nắm vững lý thuyết truyền động cơ khí, làm chủ quy trình tính toán động lực học, kích thước hình học bánh răng, trục, và bộ đồng tốc, đồng thời hiểu rõ cơ chế vận hành nhằm phục vụ công tác kiểm tra, chẩn đoán và khắc phục hư hỏng trong thực tiễn kỹ thuật ô tô.

Mục tiêu của đề tài gồm hai điểm chính:

  1. Hiểu rõ phương pháp tính toán và thiết kế hộp số sàn ô tô theo các yêu cầu kỹ thuật và điều kiện vận hành cụ thể.
  2. Hiểu rõ các vấn đề kỹ thuật để tìm ra giải pháp kiểm tra, chẩn đoán, khắc phục và sửa chữa hộp số trong quá trình sử dụng.

Theo phiếu giao đề tài, các nội dung nhiệm vụ nghiên cứu được đánh số và xác định như sau:

  1. Phân tích cơ sở lý thuyết hộp số trên ô tô (khảo sát tối thiểu ba dòng xe) và các công nghệ mới được ứng dụng trên hộp số ô tô.
  2. Xác định các thông số cơ bản của hộp số: tỷ số truyền thấp nhất ($i_{h1}$), tỷ số truyền cao nhất ($i_{hn}$), số cấp số ($n$), tỷ số truyền trung gian, kích thước cơ bản, số răng của các bánh răng và kích thước các trục hộp số.
  3. Xác định các thông số cơ bản của bộ đồng tốc: mô men quán tính khối lượng tổng cộng quy dẫn về trục ly hợp, mô men ma sát yêu cầu, bán kính ma sát, chiều rộng bề mặt vành ma sát và góc nghiêng của bề mặt hãm.
  4. Tính toán kiểm tra các thông số cơ bản của đồng tốc: mô men ma sát thực tế, thời gian chuyển số thực tế, công trượt và công trượt riêng của đôi bề mặt côn ma sát.
  5. Phân tích lựa chọn phương án thiết kế hộp số sàn ô tô (sơ đồ bố trí chung và hệ thống điều khiển).
  6. Thiết kế kỹ thuật và mô phỏng hộp số (thiết kế các chi tiết, mô phỏng quá trình lắp ráp và nguyên lý hoạt động của hộp số sàn ô tô).

Đối tượng nghiên cứu là hộp số cơ khí ba trục lắp đặt trên ô tô con (xe du lịch). Phạm vi nghiên cứu bị giới hạn theo bộ thông số đầu vào của Đề số 07, bao gồm: xe du lịch công thức bánh xe $4 \times 2$, động cơ xăng 4 kỳ đặt trước, cầu sau chủ động; khối lượng không tải 1600 kg, khối lượng đầy tải 2100 kg; ký hiệu lốp xe trước và sau 220/60/R16; công suất cực đại 90 kW tại 5000 vòng/phút, mô men xoắn cực đại 210 Nm tại 2500 vòng/phút; vận tốc cực đại $v_{a\max} = 170$ km/h; hệ số cản lớn nhất của đường $\Psi_{\max} = 0,35$.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đồ án dựa trên các nguyên lý động lực học kéo và truyền động cơ khí ô tô:

  • Điều kiện kéo và cản chuyển động: Xác định tỷ số truyền tay số thấp nhất $i_{h1}$ thỏa mãn điều kiện cản của đường ($\Psi_{\max} \cdot r_{bx} \cdot G / [M_{e\max} \cdot i_{fc} \cdot \eta_{tl}]$) và điều kiện bám ($m \cdot \varphi \cdot r_{bx} / [M_{e\max} \cdot \eta_{tl}]$), trong đó gia tốc trọng trường $g = 10\text{ m/s}^2$, trọng lượng xe đầy tải $G = 21000\text{ N}$, tỷ số truyền hộp phân phối $i_{fc} = 1$, hiệu suất truyền lực chọn $\eta_{tl} = 0,9$.
  • Lý thuyết phân phối tỷ số truyền: Tỷ số truyền lực chính $i_o$ được xác định dựa trên vận tốc cực đại ($v_{a\max} = 170\text{ km/h} = 47,2\text{ m/s}$), bán kính làm việc bánh xe ($r_{bx} = 335,3352\text{ mm}$), số truyền thẳng ($i_{hn} = 1$) và tốc độ góc lớn nhất của động cơ ($\omega_{e\max} = 1,0 \cdot \omega_N$). Số cấp số $n$ được xác định theo dãy công bội $q = 1,5$, sau đó phân phối lại các tay số trung gian theo quy luật cấp số điều hòa qua hằng số điều hòa $a$.
  • Động học và hình học bộ truyền bánh răng: Khoảng cách trục sơ bộ $A$ xác định theo mô men xoắn cực đại và hệ số kinh nghiệm xe du lịch $k_a = 8,9$. Mô đun pháp tuyến $m$, góc nghiêng răng $\beta$, số răng bánh răng chủ động $Z_1$, số răng bánh răng luôn ăn khớp và các cặp bánh răng gài số được tính toán nhằm bảo đảm khoảng cách trục tiêu chuẩn và triệt tiêu tải trọng động.
  • Lý thuyết đồng tốc ma sát côn có khóa chuyển số: Mô hình tính toán quy dẫn mô men quán tính khối lượng của các chi tiết quay ($J_1, J_2, J_3$) về trục ly hợp, từ đó xác định mô men ma sát yêu cầu, mô men ma sát thực tế, thời gian chuyển số, công trượt ma sát và công trượt riêng nhằm bảo đảm vành ma sát không bị quá nhiệt hoặc mài mòn nhanh.
  • Khảo sát các công nghệ hộp số hiện đại: Phân tích cơ sở lý thuyết của ba dạng truyền động tiêu biểu trên các dòng xe thương mại: hộp số ly hợp kép DCT (Porsche Panamera sử dụng hộp số PDK), hộp số tự động có cấp AT với biến mô thủy lực và cụm bánh răng hành tinh (Mazda-3), và hộp số biến thiên vô cấp CVT sử dụng cơ cấu hai puli hình nón và đai kim loại (Honda Civic).

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa nghiên cứu tài liệu và mô hình hóa kỹ thuật:

  • Phương pháp tổng hợp tài liệu chuyên ngành: Thu thập dữ liệu kỹ thuật từ giáo trình thiết kế ô tô của trường, diễn đàn chuyên ngành và trang thông tin kỹ thuật ô tô.
  • Phương pháp giải tích kỹ thuật: Thiết lập và giải các công thức giải tích xác định thông số động lực học, kích thước hình học bánh răng, trục và bộ đồng tốc theo các tiêu chuẩn thiết kế cơ khí ô tô.
  • Phương pháp mô hình hóa và thiết kế hình học: Ứng dụng phần mềm SolidWorks trong việc thiết kế mô hình chi tiết 3D, xuất bản vẽ kỹ thuật 2D, mô phỏng quá trình lắp ráp và động học làm việc của các cơ cấu gài số và bộ đồng tốc.

Nguồn dữ liệu thực nghiệm và tính toán bắt nguồn trực tiếp từ phiếu giao đề tài số 07 của Viện Kỹ thuật HUTECH cùng các bảng tra cứu thông số kinh nghiệm của xe du lịch.

Thiết kế kỹ thuật và triển khai hệ thống

Hộp số sàn được lựa chọn thiết kế theo sơ đồ hộp số cơ khí ba trục có các trục cơ bản: trục sơ cấp (trục I nhận mô men từ đĩa ma sát ly hợp), trục trung gian (trục III nhận chuyển động từ trục sơ cấp qua cặp bánh răng luôn ăn khớp), trục thứ cấp (trục II đặt đồng trục với trục sơ cấp, mang các bánh răng quay lồng không và moay-ơ đồng tốc), cùng một trục phụ lắp bánh răng số lùi trung gian để đảo chiều quay.

Hệ thống cơ cấu điều khiển chuyển số và các cụm an toàn kỹ thuật được bố trí trên nắp hộp số, bao gồm:

  • Cơ cấu chọn và gài số: Sử dụng cần số đặt trên sàn xe cạnh người lái, kết hợp các đòn kéo, trục trượt, nạng gạt và ống trượt. Các trục trượt được bố trí song song; khi ở vị trí trung gian, các rãnh trên trục trượt thẳng hàng theo phương ngang để đầu cần số thực hiện hành trình chọn trục trượt ($A$), sau đó gạt dọc theo hành trình gài số ($B$).
  • Cơ cấu định vị chống nhảy số: Bao gồm các viên bi và lò xo bố trí trong nắp hộp số tỳ vào ba rãnh khuyết trên mỗi trục trượt (tương ứng với hai vị trí gài số và một vị trí số mo), giữ cố định vị trí trục trượt khi xe vận hành trên đường gồ ghề.
  • Cơ cấu khóa hãm chống gài đồng thời hai số: Thiết kế bằng hệ thống bi khóa và chốt trượt nằm ngang giữa các trục trượt. Khi một trục trượt dịch chuyển khỏi vị trí trung gian, chốt khóa bị đẩy sang ngang và chèn chặt vào rãnh của các trục trượt còn lại, loại trừ nguy cơ gãy vỡ bánh răng.
  • Cơ cấu bảo hiểm số lùi: Trang bị lò xo tỳ, chốt tỳ và chốt khóa; người lái buộc phải tác dụng lực đủ lớn để thắng lực nén của lò xo bảo hiểm mới đưa được cần số vào rãnh gài số lùi, ngăn ngừa hiện tượng gài nhầm số lùi khi xe đang chuyển động tiến.
  • Bộ đồng tốc có khóa chuyển số: Đặt giữa các bánh răng số tiến trên trục thứ cấp. Kết cấu gồm moay-ơ ăn khớp then với trục, ống trượt gài số, ba khóa chuyển số có lò xo đẩy, và vành đồng tốc mang mặt côn ma sát có rãnh nhỏ thoát dầu. Quá trình làm việc chia làm các giai đoạn: bắt đầu gài số (ống trượt đẩy khóa chuyển số ép vành côn vào bánh răng), giữa quá trình (ma sát làm đồng đều tốc độ góc giữa bánh răng và trục), và kết thúc quá trình (then ống trượt trùm qua rãnh then của vành đồng tốc để ăn khớp êm dịu với then của bánh răng số).
  • Triển khai mô hình CAD và mô phỏng: Toàn bộ hệ thống vỏ cac-te, các đăng trục, bánh răng nghiêng, bánh răng thẳng số lùi, moay-ơ, nạng gạt và nắp hộp số được thiết kế hình học trên phần mềm SolidWorks. Dữ liệu 3D được lắp ráp theo quan hệ động học (mate), kiểm tra va chạm cơ khí và xuất video mô phỏng nguyên lý ăn khớp, vào số cũng như xuất bộ bản vẽ kỹ thuật 2D phục vụ gia công chế tạo.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu đề tài

Chương mở đầu trình bày lý do chọn đề tài nghiên cứu tính toán thiết kế hộp số sàn cho ô tô du lịch. Tác giả xác định rõ mục tiêu nắm vững lý thuyết tính toán, thiết kế chi tiết cơ khí và kiểm tra, chẩn đoán, sửa chữa hộp số. Chương này cũng phân định cụ thể các nhiệm vụ nghiên cứu, phương pháp tra cứu tài liệu từ diễn đàn, trang tin chuyên ngành và tài liệu học tập của nhà trường, đồng thời tóm lược kết cấu đồ án gồm 9 chương.

Chương 2: Tổng quan hộp số

Chương 2 phân tích chuyên sâu công dụng, các yêu cầu kỹ thuật và phân loại hộp số ô tô:

  • Phân loại theo tỷ số truyền (hộp số có cấp, vô cấp), theo cấu trúc truyền lực (hộp số thường trục cố định, hộp số hành tinh), theo phương pháp điều khiển (bằng tay, tự động, bán tự động), và theo số lượng trục chính (hộp số hai trục, hộp số ba trục).
  • So sánh kết cấu hộp số cơ khí ba trục và hai trục: Hộp số ba trục có ưu điểm số truyền thẳng ($i=1$) hiệu suất cao, giảm mài mòn bánh răng (chiếm 50% - 70% thời gian chạy xe), tạo được tỷ số truyền lớn qua hai cặp bánh răng, nhưng nhược điểm là ổ bi đỡ phía trước của trục thứ cấp đặt trong lỗ đuôi trục sơ cấp bị giới hạn kích thước nên làm việc căng thẳng; hộp số hai trục gọn nhẹ, hiệu suất truyền cao cho từng số do chỉ qua một cặp bánh răng, thích hợp xe động cơ đặt trước - cầu trước chủ động, nhưng không có số truyền thẳng và kích thước vỏ sẽ lớn nếu yêu cầu tỷ số truyền cao.
  • Khảo sát kết cấu cơ cấu điều khiển: Bố trí chuyển số trực tiếp trên nắp hộp số và hệ thống điều khiển từ xa dùng hai dây cáp (một cáp chọn số, một cáp gài số); kết cấu các bộ phận an toàn (cơ cấu định vị bi - lò xo, cơ cấu khóa hãm, cơ cấu bảo hiểm số lùi); phân loại và phân tích nguyên lý làm việc của bộ đồng tốc có khóa chuyển số qua từng giai đoạn làm việc.

Chương 3: Phân tích cơ sở lý thuyết hộp số trên ô tô

Chương 3 khảo sát và phân tích cấu tạo, nguyên lý vận hành của ba hệ thống truyền động tự động tiên tiến trên các dòng xe thương mại:

  • Hộp số ly hợp kép DCT trên xe Porsche Panamera: Lịch sử phát triển từ phát minh của Adolphe Kegresse (1939) đến ứng dụng xe đua Porsche PDK (1983 trên mẫu 956/962); cấu tạo gồm hai ly hợp hoạt động độc lập (một ly hợp điều khiển dãy số chẵn 2, 4, 6; một ly hợp điều khiển dãy số lẻ 1, 3, 5); phân tích ưu điểm chuyển số nhanh, không gián đoạn dòng công suất, tiết kiệm nhiên liệu, cùng nhược điểm DCT khô dễ bị quá nhiệt và chi phí chế tạo, bảo dưỡng cao.
  • Hộp số tự động bánh răng hành tinh AT trên xe Mazda-3: Cấu tạo gồm bộ biến mô thủy lực, cụm bánh răng hành tinh (bánh răng mặt trời S, bánh răng hành tinh C, vành đai ngoài R), các bộ ly hợp và phanh đai; phân tích nguyên lý hoạt động khi xe chạy tiến, lùi, số mo (N), các ký hiệu P, R, N, D, S, L, D1-D3, OD; ưu điểm vận hành êm ái trong đô thị và nhược điểm hao hụt công suất qua biến mô thủy lực.
  • Hộp số biến thiên vô cấp CVT trên xe Honda Civic: Cấu tạo gồm hệ puli đầu vào gắn trục động cơ, puli đầu ra dẫn động bánh xe (mỗi puli tạo bởi hai khối nón nghiêng $20^\circ$) và dây đai kim loại; nguyên lý thay đổi bán kính làm việc của dây đai bằng áp suất thủy lực hoặc lò xo; ưu điểm tăng tốc mượt mà, tối ưu hóa dải vận tốc động cơ khi kết hợp hệ thống kiểm soát hành trình Cruise Control và nhược điểm chịu mô men xoắn kém, độ trễ ga nhất định, dây đai nhanh mòn và cần thay thế định kỳ sau khoảng 50.000 km.

Chương 4: Xác định các thông số cơ bản của hộp số

Chương này triển khai các công thức tính toán thiết kế cho xe du lịch đề số 07:

  • Tính toán tỷ số truyền số 1: Tỷ số truyền lực chính $i_o$ tính từ $v_{a\max} = 170\text{ km/h}$, $\omega_N = 523,6\text{ rad/s}$ ($5000\text{ vòng/phút}$), $r_{bx} = 335,3352\text{ mm}$ cho ra kết quả $i_{h1} = 3,5$.
  • Xác định số cấp số: Với công bội $q = 1,5$, công thức logarit cho ra số cấp danh định $n = 4$ cấp số tiến.
  • Phân phối tỷ số truyền theo cấp số điều hòa: Tính được hằng số $a = (1/i_{hn} - 1/i_{h1}) / (n-1) = (1 - 1/3,5)/3 = 0,238$. Từ đó xác định dãy tỷ số truyền các tay số: $i_{h1} = 3,5$; $i_{h2} = 1,87$ (tính toán cụ thể đạt $1,31$ tùy chế độ); $i_{h4} = 1$ (số truyền thẳng); số lùi $i_{hL} = (1,2 \div 1,3) i_{h1}$.
  • Xác định thông số hình học bánh răng: Khoảng cách trục sơ bộ tính theo $A \approx k_a \sqrt[3]{M_{e\max} \cdot i_{h1}}$ với $M_{e\max} = 210\text{ Nm}$, $k_a = 8,9$, cho ra giá trị tiêu chuẩn chọn $A = 80\text{ mm}$. Chiều rộng bánh răng $b \approx (0,45 \div 0,6)A$; chiều rộng ổ đỡ $B$; chiều rộng đồng tốc $H$. Mô đun pháp tuyến chọn $m = 2,5\text{ mm}$ cho các số thấp (số 1 và số lùi) và $m = 2,25\text{ mm}$ cho các số cao; góc nghiêng răng $\beta = 22^\circ \div 34^\circ$ cho số tiến, bánh răng số lùi sử dụng răng thẳng.
  • Xác định số răng: Chọn số răng bánh răng chủ động số 1 $Z_1 = 17$ răng; tính tỷ số truyền cặp bánh răng gài số 1 ($i_{g1}$) và cặp bánh răng luôn ăn khớp ($i_a$); tính số răng bánh răng chủ động và bị động luôn ăn khớp, bánh răng trên trục trung gian và trục thứ cấp; tính toán chính xác lại khoảng cách trục $A_k$ và góc nghiêng răng chuẩn.
  • Tính toán kích thước trục: Xác định đường kính và chiều dài của trục sơ cấp, trục trung gian và trục thứ cấp; tính bán kính vòng chia và mô men quán tính khối lượng của các bánh răng ($J_k$) quy dẫn về trục ly hợp ($J_{qd}$).

Chương 5: Xác định thông số cơ bản của bộ đồng tốc hộp số

Nội dung chương tập trung xác định các thông số động lực học và hình học của bộ đồng tốc:

  • Tính toán các thành phần mô men quán tính khối lượng: $J_1$ (mô men quán tính của đĩa ly hợp và trục sơ cấp), $J_2$ (mô men quán tính của trục trung gian và các bánh răng gắn trên nó), $J_3$ (mô men quán tính của bánh răng quay lồng không trên trục thứ cấp) quy dẫn về trục ly hợp.
  • Tính toán mô men ma sát yêu cầu của bộ đồng tốc để triệt tiêu chênh lệch vận tốc góc trong thời gian quy định.
  • Xác định bán kính ma sát của vành đồng tốc, chiều rộng của bề mặt vành ma sát và góc nghiêng của bề mặt hãm $\beta$ nhằm bảo đảm bề mặt côn không bị kẹt dính khi làm việc.

Chương 6: Tính toán kiểm tra các thông số cơ bản của đồng tốc

Chương 6 tiến hành kiểm nghiệm điều kiện làm việc của bộ đồng tốc ma sát côn:

  • Tính toán mô men ma sát thực tế phát sinh trên bề mặt côn khi người lái tác dụng lực lên cần số.
  • Tính toán thời gian chuyển số thực tế của bộ đồng tốc và so sánh với giới hạn cho phép nhằm bảo đảm cảm giác chuyển số nhẹ nhàng, không gây gián đoạn dòng lực quá lâu.
  • Tính toán công trượt ma sát sinh ra trong quá trình san phẳng vận tốc góc giữa hai bề mặt côn.
  • Xác định công trượt riêng của đôi bề mặt ma sát (công trượt trên một đơn vị diện tích tiếp xúc) để đánh giá khả năng chịu nhiệt và mức độ mài mòn của vật liệu vành ma sát.

Chương 7: Lựa chọn phương án thiết kế hộp số

Chương 7 tiến hành so sánh đối chiếu giữa hai phương án kết cấu:

  • Phương án hộp số 3 trục 4 số tiến, 1 số lùi: Kết cấu đơn giản, nhỏ gọn, các vị trí gài số được bố trí thuận tiện, đáp ứng tốt dải tốc độ yêu cầu từ dữ liệu đầu vào.
  • Phương án hộp số 3 trục 5 số tiến, 1 số lùi: Mở rộng thêm một số truyền tăng (overdrive) nhằm tối ưu thêm tính kinh tế nhiên liệu khi chạy trên cao tốc, nhưng kết cấu phức tạp hơn, tăng kích thước trục và số lượng chi tiết.
  • Trên cơ sở dữ liệu tính toán ở Chương 4 và điều kiện kỹ thuật của xe du lịch đề tài, nhóm tác giả đưa ra quyết định lựa chọn phương án thiết kế tối ưu cho mô hình.

Chương 8: Thiết kế bản vẽ

Chương 8 thể hiện toàn bộ kết quả thiết kế hình học dưới dạng hồ sơ kỹ thuật:

  • Lập mô hình 3D cho các chi tiết vỏ hộp số, các trục, bánh răng nghiêng, bánh răng thẳng, vành đồng tốc, ống trượt, nạng gạt trên phần mềm SolidWorks.
  • Lắp ráp hoàn chỉnh cụm hộp số, kiểm tra dung sai lắp ghép và va chạm động học giữa các chi tiết.
  • Xuất bản vẽ kỹ thuật 2D (bản vẽ mặt cắt tổng thể, bản vẽ trích chi tiết cơ cấu nắp chuyển số) và xuất video mô phỏng chuyển động ăn khớp, sang số.

Chương 9: Kết luận

Chương kết luận tổng kết các nhiệm vụ đã hoàn thành theo phiếu giao đề tài, khẳng định kết quả tính toán động lực học hộp số và kiểm tra đồng tốc đạt yêu cầu kỹ thuật. Đồng thời, tác giả đề xuất định hướng phát triển nghiên cứu tiếp theo của đề tài.

Kết quả và đóng góp

Đồ án hoàn thành trọn vẹn chuỗi tính toán thiết kế hộp số sàn cho ô tô du lịch từ các điều kiện biên của Đề 07, với các chỉ số kỹ thuật cụ thể được tổng hợp trong bảng dưới đây:

Hạng mục thông số Ký hiệu / Đại lượng Giá trị thiết kế Đơn vị
Khối lượng toàn tải $m$ ($G = mg$) 2100 (21000) kg (N)
Hệ số cản đường cực đại $\Psi_{\max}$ 0,35 -
Công suất / Vận tốc góc cực đại $P_{e\max} / \omega_N$ 90 / 523,6 kW / (rad/s)
Mô men xoắn cực đại $M_{e\max}$ 210 Nm
Vận tốc cực đại của xe $v_{a\max}$ 170 (47,2) km/h (m/s)
Bán kính bánh xe chủ động $r_{bx}$ 335,3352 mm
Tỷ số truyền số 1 $i_{h1}$ 3,5 -
Số cấp số tiến $n$ 4 cấp
Tỷ số truyền số cao nhất (số 4) $i_{hn}$ ($i_{h4}$) 1,0 (truyền thẳng) -
Tỷ số truyền số lùi $i_{hL}$ $(1,2 \div 1,3) i_{h1}$ -
Hằng số cấp số điều hòa $a$ 0,238 -
Khoảng cách trục danh định $A$ 80 mm
Hệ số kinh nghiệm khoảng cách trục $k_a$ 8,9 -
Mô đun pháp tuyến số thấp / số cao $m$ 2,5 / 2,25 mm
Góc nghiêng răng số thấp / số cao $\beta$ $22^\circ \div 30^\circ$ / $34^\circ$ độ
Số răng bánh răng chủ động số 1 $Z_1$ 17 răng

Về mặt giải pháp kỹ thuật, tác giả đã đề xuất:

  • Ứng dụng quy luật cấp số điều hòa trong việc phân phối tỷ số truyền các tay số trung gian, giúp tận dụng tối đa công suất động cơ ở dải vận tốc cao của xe du lịch.
  • Lựa chọn sơ đồ hộp số ba trục kết hợp bánh răng răng nghiêng ở các số tiến nhằm giảm thiểu tiếng ồn, tăng khả năng chịu tải và triệt tiêu lực dọc trục tác dụng lên ổ bi qua việc chọn chiều nghiêng răng hợp lý.
  • Thiết kế hệ thống an toàn hoàn chỉnh trên nắp hộp số gồm định vị bi - lò xo chống nhảy số, cơ cấu khóa hãm ngăn gài đồng thời hai số, và cơ cấu chốt tỳ lò xo bảo hiểm chống gài nhầm số lùi.
  • Thiết kế đồng tốc khóa chuyển số có rãnh thoát dầu trên mặt côn ma sát, bảo đảm quá trình đồng đều tốc độ góc êm dịu, không va đập đầu răng.

Đóng góp của đồ án thể hiện ở việc hệ thống hóa phương pháp tính toán thiết kế truyền động cơ khí từ lý thuyết giải tích đến mô hình hóa CAD 3D và mô phỏng trên phần mềm SolidWorks, xây dựng bộ thông số hình học và kiểm nghiệm đồng tốc đầy đủ cho một mẫu xe du lịch cụ thể.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án xuất phát từ phạm vi nghiên cứu môn học:

  • Đồ án mới tập trung vào xác định kích thước hình học, phân phối tỷ số truyền và kiểm tra ma sát đồng tốc; chưa triển khai tính toán kiểm nghiệm độ bền mỏi uốn, độ bền tiếp xúc của răng bánh răng cũng như kiểm nghiệm tuổi thọ của các ổ lăn đỡ trục dưới tác dụng của tải trọng động thay đổi.
  • Chưa có điều kiện chế tạo mẫu thử thực tế để kiểm tra thực nghiệm áp suất tiếp xúc, độ mòn và nhiệt độ thực tế của bề mặt vành ma sát bộ đồng tốc khi chuyển số ở các chế độ tải khắc nghiệt.
  • Toàn bộ kết quả mới dừng lại ở mức mô hình hóa hình học và mô phỏng động học trên phần mềm máy tính (SolidWorks).

Hướng phát triển tiếp theo của đề tài:

  • Ứng dụng phần mềm phân tích phần tử hữu hạn (FEA/CAE) như ANSYS để mô phỏng ứng suất tập trung, độ võng của các trục hộp số và dao động xoắn của hệ thống bánh răng dưới tác dụng của mô men xoắn động cơ cực đại.
  • Nghiên cứu mở rộng phương án thiết kế hộp số 5 cấp hoặc 6 cấp kết hợp cấp số truyền tăng (overdrive) nhằm nâng cao hơn nữa tính kinh tế nhiên liệu khi xe vận hành trên đường cao tốc.
  • Nghiên cứu tích hợp cơ cấu chấp hành điện - thủy lực hoặc điện - khí nén để chuyển đổi mô hình hộp số sàn cơ khí sang dạng hộp số sàn tự động hóa (Automated Manual Transmission - AMT).

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho:

  • Sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ khí Giao thông đang thực hiện đồ án môn học Thiết kế Ô tô, đồ án chi tiết máy hoặc khóa luận tốt nghiệp về hệ thống truyền lực.
  • Giảng viên và cán bộ hướng dẫn đồ án chuyên ngành làm tài liệu đối sánh quy trình tính toán động lực học kéo và bố trí hệ thống truyền lực cơ khí.
  • Kỹ sư thiết kế cơ khí ô tô cần tham khảo chuỗi công thức phân phối tỷ số truyền theo cấp số điều hòa, các phương pháp quy dẫn mô men quán tính khối lượng $J_1, J_2, J_3$ về trục ly hợp và quy trình kiểm tra công trượt riêng của bộ đồng tốc ma sát côn.

Câu hỏi thường gặp

1. Dữ liệu đầu vào Đề số 07 quy định những thông số kỹ thuật then chốt nào cho xe thiết kế?

Theo văn bản đề tài, xe thiết kế là loại xe du lịch $4 \times 2$, động cơ xăng 4 kỳ đặt trước, cầu sau chủ động; khối lượng không tải 1600 kg, đầy tải 2100 kg; ký hiệu lốp 220/60/R16; công suất cực đại 90 kW tại 5000 vòng/phút, mô men xoắn cực đại 210 Nm tại 2500 vòng/phút; vận tốc cực đại 170 km/h; hệ số cản lớn nhất của đường $\Psi_{\max} = 0,35$.

2. Tại sao các tỷ số truyền trung gian của hộp số lại được tính toán theo cấp số điều hòa?

Đối với ô tô du lịch thường xuyên vận hành ở các tay số truyền cao, các tỷ số truyền trung gian được bố trí theo cấp số điều hòa (thông qua hằng số $a = 0,238$) nhằm thu hẹp khoảng cách giữa các số truyền cao. Điều này giúp tối ưu hóa việc sử dụng công suất động cơ khi sang số ở tốc độ lớn, giảm bước sụt giảm vận tốc góc của trục khuỷu và nâng cao tính kinh tế vận tải.

3. Hộp số sàn ba trục được thiết kế có ưu và nhược điểm gì so với hộp số hai trục?

Ưu điểm của hộp số ba trục là có số truyền thẳng ($i=1$) nối trực tiếp trục sơ cấp và thứ cấp giúp dòng truyền lực không qua các cặp bánh răng, đạt hiệu suất cực đại và giảm hao mòn bánh răng trong 50% - 70% thời gian xe chạy; đồng thời kết cấu hai cặp bánh răng ăn khớp cho phép tạo ra tỷ số truyền lớn. Nhược điểm là ổ bi trước của trục thứ cấp đặt trong đuôi trục sơ cấp bị giới hạn kích thước nên làm việc căng thẳng, và hiệu suất truyền ở các số trung gian thấp hơn do qua nhiều cặp bánh răng ăn khớp.

4. Các cơ cấu an toàn trên nắp hộp số được thiết kế gồm những bộ phận nào và hoạt động ra sao?

Hệ thống an toàn gồm ba cơ cấu chính:

  • Cơ cấu định vị bi - lò xo: Ăn khớp vào các rãnh khuyết trên trục trượt để giữ chặt vị trí tay số đã gài, chống hiện tượng tự nhảy số do rung xóc.
  • Cơ cấu khóa hãm: Sử dụng bi và chốt trượt nằm ngang; khi một trục trượt dịch chuyển thì các trục trượt khác bị khóa cứng, ngăn chặn tuyệt đối việc gài hai số cùng lúc gây gãy vỡ bánh răng.
  • Cơ cấu bảo hiểm số lùi: Sử dụng chốt tỳ và lò xo cản lực; người lái phải tác dụng một lực lớn hơn bình thường để thắng lực căng lò xo mới đưa được cần số vào vị trí gài số lùi, tránh thao tác gài nhầm khi xe đang tiến.

5. Tại sao đồ án thiết kế hộp số sàn nhưng lại dành Chương 3 để khảo sát các loại hộp số DCT, AT và CVT?

Nhiệm vụ số 1 trong phiếu giao đề tài yêu cầu phân tích cơ sở lý thuyết hộp số trên ô tô của tối thiểu ba dòng xe và khảo sát các công nghệ mới. Việc phân tích hộp số DCT (trên xe Porsche Panamera), AT (trên xe Mazda-3) và CVT (trên xe Honda Civic) giúp người thiết kế có cái nhìn bao quát về toàn bộ các giải pháp truyền động hiện đại, đối chiếu được ưu nhược điểm về hiệu suất, cấu tạo và giá thành của hộp số cơ khí sàn truyền thống so với các công nghệ tự động tiên tiến.

Kết luận

Đồ án môn học "Tính toán thiết kế hộp số sàn ô tô" đã thực hiện đầy đủ các nhiệm vụ theo phiếu giao đề tài số 07 của Viện Kỹ thuật HUTECH, hoàn thành chuỗi tính toán từ lý thuyết động lực học kéo ô tô đến kết cấu chi tiết cơ khí. Bằng việc phối hợp giữa phương pháp giải tích kỹ thuật, phân phối tỷ số truyền theo cấp số điều hòa và kiểm tra an toàn ma sát đồng tốc, công trình đã xác lập được cấu hình hộp số 3 trục tối ưu cho xe du lịch. Các kết quả tính toán được trực quan hóa qua hồ sơ mô hình 3D và bản vẽ 2D trên phần mềm SolidWorks, tạo thành nguồn tư liệu học thuật và kỹ thuật giá trị cho sinh viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô.