Giáo trình kết cấu ôtô phần 2 - Chương 10: Hộp số và ứng dụng trong ô tô

Giáo trình Kết cấu Ô tô Phần 2 cung cấp kiến thức chuyên sâu về thiết kế, phân tích và vận hành các hệ thống khung gầm, thân xe và các bộ phận chịu lực chính

• Chuyên ngành: Kỹ thuật ô tô
• Đề tài: Hộp số trong hệ thống truyền lực ô tô
• Loại tài liệu: Giáo trình

Tóm tắt

I. Tổng quan về kết cấu hộp số ô tô hiện đại

Hộp số là cụm chi tiết quan trọng trong hệ thống truyền lực ô tô. Cụm này cho phép thay đổi và phân chia tốc độ, mô men xoắn từ động cơ đến các cầu chủ động. Công dụng chính bao gồm thay đổi tốc độ và lực kéo, đảo chiều chuyển động, ngắt động cơ khỏi hệ thống truyền lực. Hộp số cần có dãy tỉ số truyền hợp lý, hiệu suất truyền lực cao, không gây tiếng ồn và vận hành nhẹ nhàng. Kết cấu phải nhỏ gọn, dễ điều khiển và bảo dưỡng. Trên ô tô con một cầu chủ động chỉ cần hộp số cơ bản. Ô tô tải nhiều cầu chủ động cần thêm hộp phân phối. Ô tô chuyên dụng sử dụng hộp trích công suất cho các tính năng đặc biệt. Phân loại hộp số dựa trên đặc điểm thay đổi tỉ số truyền gồm hai loại chính: hộp số vô cấp và hộp số có cấp. Mỗi loại phù hợp với yêu cầu kỹ thuật và tính năng vận hành riêng biệt.

1.1. Hộp số vô cấp CVT trong truyền lực ô tô

Hộp số vô cấp tạo thành hệ thống truyền lực vô cấp. Tỉ số truyền biến đổi liên tục trong khoảng cho phép, từ thấp đến cao và ngược lại. Bộ truyền vô cấp thường gặp gồm biến mô men thủy lực và bộ truyền đai đặc biệt. Khi mô men động cơ ở giá trị nhất định, sự biến đổi mô men sau hộp số vô cấp là đường liên tục. Các bộ truyền này còn gọi là bộ truyền liên tục. Khoảng tỉ số truyền R trên biến mô men thủy lực có thể đạt tới 2,7. Hộp số vô cấp giúp tối ưu hóa quá trình tăng giảm tốc, mang lại sự êm ái cho hành khách.

1.2. Hộp số có cấp và nguyên lý hoạt động

Hộp số có cấp sử dụng các bộ truyền với tỉ số truyền cố định. Khi chuyển số thường xảy ra thay đổi giá trị tốc độ và mô men, gây tải trọng động. Để hạn chế xung lực, cần các bộ phận ma sát như đồng tốc, khớp ma sát, bộ truyền thủy lực. Các bộ phận này làm đều tốc độ các phần tử truyền, nâng cao độ bền và độ tin cậy. Cơ cấu định vị, khóa hãm đảm bảo tại một thời điểm chỉ gài vào một số truyền chắc chắn. Kết cấu nhỏ gọn, dễ bảo dưỡng là ưu điểm nổi bật.

II. Phân tích cơ cấu hành tinh trong hộp số tự động

Cơ cấu hành tinh là thành phần cốt lõi trong hộp số tự động hiện đại. Cơ cấu này cho phép tạo ra nhiều tỉ số truyền khác nhau chỉ với số lượng bánh răng hạn chế. Có ba loại cơ cấu hành tinh phổ biến: Wilson, Ravigneaux và Simpson. Mỗi loại có cấu trúc và nguyên lý làm việc riêng biệt. Cơ cấu Wilson sử dụng hai bánh răng trung tâm, hai nhóm bánh răng hành tinh, một giá dẫn và bánh răng bao. Cơ cấu Ravigneaux kết hợp hai nhóm bánh răng hành tinh ngắn và dài trên cùng một giá dẫn. Cơ cấu Simpson ghép hai cơ cấu Wilson theo sơ đồ đặc biệt, chia sẻ bánh răng mặt trời chung. Bằng cách thay đổi trạng thái các phần tử khóa và khớp một chiều, các cơ cấu này tạo ra số tiến, số lùi và số thẳng. Thiết kế này giúp giảm kích thước, tăng tính tin cậy và hiệu suất truyền lực đáng kể.

2.1. Cấu trúc cơ cấu hành tinh Ravigneaux

Cơ cấu hành tinh Ravigneaux gồm hai bánh răng trung tâm S1, S2 và hai nhóm bánh răng hành tinh PK, PL. Bánh răng hành tinh ngắn PK ăn khớp với bánh răng trung tâm S1 và bánh răng hành tinh dài PL. Bánh răng hành tinh dài PL ăn khớp với bánh răng trung tâm S2 và bánh răng bao H. Giá dẫn PT kết nối các bánh răng hành tinh. Trục chủ động nối với giá dẫn PT, trục bị động nối với bánh răng bao H. Cơ cấu sử dụng năm phân tử khóa và một khớp một chiều để tạo các tỉ số truyền khác nhau.

2.2. Nguyên lý làm việc của cơ cấu Simpson

Cơ cấu Simpson là sự kết hợp hai cơ cấu Wilson theo sơ đồ đặc biệt. Cụm hợp bao gồm bánh răng bao H1 của cơ cấu thứ nhất nối với giá dẫn PT2 của cơ cấu thứ hai. Hai cơ cấu chia sẻ chung bánh răng mặt trời S. Trục chủ động có thể nối với bánh răng bao H2 hoặc bánh răng trung tâm S. Trục bị động nối với bánh răng còn lại. Thiết kế này cho phép tạo ra nhiều tỉ số truyền với số lượng chi tiết tối thiểu. Cơ cấu Simpson được ứng dụng rộng rãi trong hộp số tự động nhờ tính ưu việt về hiệu suất và kích thước nhỏ gọn.

III. Giải pháp thiết kế bộ vi sai bánh răng côn đối xứng

Bộ vi sai bánh răng côn đối xứng là giải pháp kỹ thuật quan trọng trong hệ thống truyền lực cầu chủ động. Bộ phận này có chức năng phân chia đều mô men xoắn giữa hai bánh xe khi ô tô vào cua. Cấu tạo bao gồm bốn bánh răng hành tinh lắp trên trục chữ thập. Trục chữ thập được cố định giữa hai nửa vỏ vi sai. Hai nửa vỏ ghép bằng bu lông tạo thành trục bị động của truyền lực chính. Bánh răng vành chậu bắt trên vỏ vi sai, tạo bánh răng bị động. Khi ô tô hoạt động trên đường thẳng, bộ vi sai hoạt động như chêm truyền lực. Khi vào cua, bánh xe ngoài quay nhanh hơn bánh xe trong nhờ sự chênh lệch mô men. Đệm tựa bánh răng giảm ma sát và tăng tuổi thọ. Thiết kế đối xứng đảm bảo phân phối lực đều, ổn định hướng lái và an toàn khi vận hành trên mọi địa hình.

3.1. Cấu tạo chi tiết bộ vi sai bánh răng côn

Bộ vi sai gồm các chi tiết chính: bánh răng vành chậu, bánh răng bán trục, trục chữ thập, bánh răng vi sai, vỏ vi sai và đệm tựa. Bốn bánh răng hành tinh lắp lồng trên trục chữ thập. Trục chữ thập cố định giữa hai nửa vỏ vi sai. Các bánh răng hành tinh đồng thời ăn khớp với hai bánh răng bán trục, tựa lên vỏ vi sai qua đệm tựa. Bánh răng bán trục liên kết với bán trục bằng then hoa. Bánh răng vành chậu bắt vào vỏ vi sai bằng bu lông, tạo bánh răng bị động của truyền lực chính.

3.2. Ứng dụng và hạn chế của bộ vi sai thường

Bộ vi sai bánh răng côn đối xứng hoạt động tốt trên đường thẳng và cua nhẹ. Tuy nhiên khi một bánh xe mất độ bám đường, bánh xe còn lại cũng không truyền được lực kéo. Hiện tượng này xảy ra do bộ vi sai luôn chia đều mô men cho hai bên. Khi phanh tay hoạt động trong lúc ô tô chạy, bánh xe chủ động có thể quay ngược chiều. Điều này ảnh hưởng lớn đến khả năng điều khiển hướng chuyển động. Để khắc phục, các loại vi sai hạn chế trượt và vi sai khóa được phát triển áp dụng trên ô tô địa hình và xe tải nặng.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tế của hộp số ô tô

Kiến thức về kết cấu hộp số và bộ vi sai đóng vai trò thiết yếu trong đào tạo kỹ thuật ô tô. Hộp số tự động với cơ cấu hành tinh ngày càng phổ biến nhờ ưu điểm về hiệu suất và sự tiện lợi. Cơ cấu Ravigneaux và Simpson được ứng dụng rộng rãi trong hộp số tự động hiện đại. Bộ vi sai bánh răng côn đối xứng vẫn là lựa chọn tiêu chuẩn cho hầu hết ô tô con. Các hệ thống truyền lực ngày càng tích hợp nhiều công nghệ điện tử, tối ưu hóa quá trình truyền lực. Việc hiểu rõ nguyên lý hoạt động giúp kỹ sư thiết kế và bảo trì hệ thống truyền lực hiệu quả. Giáo trình kết cấu ô tô cung cấp nền tảng vững chắc cho sinh viên kỹ thuật cơ khí ô tô. Kiến thức này áp dụng trực tiếp trong sản xuất, lắp ráp và sửa chữa ô tô tại các nhà máy và xưởng dịch vụ trên toàn quốc.

4.1. Xu hướng phát triển hộp số hiện đại

Hộp số tự động đang thay thế hộp số sàn trên hầu hết ô tô mới. Công nghệ hộp số kép DCT mang lại hiệu suất cao với thời gian chuyển số cực ngắn. Hộp số tự động vô cấp CVT ngày càng cải thiện về khả năng chịu tải và hiệu suất. Hộp số 8 cấp, 9 cấp, 10 cấp giúp tối ưu hóa tiêu hao nhiên liệu. Công nghệ điện tử hóa kiểm soát quá trình chuyển số chính xác hơn. Tích hợp với hệ thống hybrid và xe điện đòi hỏi hộp số có kết cấu mới phù hợp.

4.2. Ý nghĩa đào tạo kỹ thuật ô tô

Giáo trình kết cấu ô tô phần 2 cung cấp kiến thức chuyên sâu về hộp số và hệ thống truyền lực. Sinh viên nắm vững nguyên lý hoạt động, cấu tạo và phân loại các loại hộp số. Kiến thức về cơ cấu hành tinh giúp hiểu hộp số tự động hiện đại. Hiểu biết về bộ vi sai phục vụ công tác sửa chữa và nâng cấp hệ thống truyền lực. Nền tảng này cần thiết cho kỹ sư thiết kế, kỹ thuật viên bảo dưỡng và nghiên cứu phát triển sản phẩm ô tô. Đào tạo bài bản đảm bảo nguồn nhân lực chất lượng cho ngành công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 10 HOP SO Hộp số là một cụm quan trọng của HTTL, cho phép thay đổi và phân chia tốc độ và mô men xoắn từ động cơ đến tới các cầu chủ động của ô tô. Các dạng kết cấu của hộp số được bồ trí phụ thuộc vào tính năng kỹ thuật yêu cầu như sau: + Ô tô một cầu chủ động, chỉ có hộp số.1a mô tả kết cấu của HTTL ô tô con với hộp số và một cầu chủ động, + Với ô tô nhiều cầu chủ động, ngoài hộp số còn có hộp phân phối.1b là cấu trúc HTTL của ô tô tải 3 cầu chủ động có hộp số và hộp phân phối. a) Trên ô t con 1 cầu chủ động Ngoài ra trên ô tô chuyên dụng còn sử dụng thêm hộp trích công suất nhằm phục vụ các tính năng chuyên dụng yêu cầu. Hộp phân phối Cấu trúc bố trí các dạng hộp số, hộp phân phối trong HTTL được trình bày ở chương 8, hộp trích công suất — trình bày ở chương 17. b) Trên 6 tô tải 3 cầu chủ động 10. HOP SO TREN Ô TÔ Hình 10.1: Bồ trí hộp số và hộp phân phối , trên 6 tô 40. Công dụng, phân loại, yêu cầu a) Công dụng Hộp số dùng đề: trên các bánh xe, - Thay đổi thay đổi tốc độ và mô men truyền (hay lực kéo) — Thay đổi chiều chuyển động (tiễn hoặc lùi), — Ngắt động cơ lâu đài khỏi hệ truyền lực. duoc dam nhận nhờ một số cụm Trên một số ô tô, chức năng thay đổi mô men truyền có thé men đáp ứng mở rộng điều khác (hộp phân phối, cụm cầu xe) nhằm tăng khả năng biến đổi mô kiện làm việc của ô tô. b) Yêu cầu Hộp số cần đáp ứng các yêu cầu cơ bản sau: đổi tỉ số truyền tối ưu, phù hợp với ~ Có dãy tỉ số truyền hợp lý, phân bố các khoảng thay tính năng động lực học yêu cầu và tính kinh tế vận tải. — Phải có hiệu suất truyền lực cao, 173 ~ Khi làm việc không gây tiếng ồn, chuyên số nhẹ nhàng, không phát sinh các tải trọng động khi làm việc, Đi với các hộp số sử dụng các bộ truyền có cấp (các tỉ số truyền cô định), khi chuyền số, thường xảy ra thay đổi giá trị tốc độ và mô men và gây nên tải trọng động. Hạn chế các xung lực và mô men biến động cần có các bộ phận ma sát (đồng tốc, khớp ma sát, bộ truyền thủy lực.) cho phép làm đều tốc độ của các phần tử truyền và nâng cao độ bên, độ tin cậy trong làm việc của hộp số, — Đảm bảo tại một thời điểm làm việc chỉ gài vào một số truyền nhất định một cách chắc chắn (cơ cầu định vị, khóa hãm, bảo vệ.), — Kết cấu phải nhỏ, gọn, dễ điều khiển, bảo dưỡng và sửa chữa, — Có khả năng bồ trí cụm trích công suất để dẫn động các thiết bị phụ khác. c) Phân loại Hộp số trên ô tô được phân loại theo các đặc điểm kết cấu sau: * Theo đặc điểm thay đổi tỉ số truyền: hộp số vô cắp và hộp số có cắp - Hộp số vô cấp được đùng đẻ tạo thành HTTL vô cấp, trong đó hộp số có tỉ số truyền biến đổi liên tục, trong khoảng tỉ số truyền (R) định sẵn, từ thấp đến cao và ngược lại. Trên ô tô bộ truyền vô cấp thường gặp: biến mô men thủy lực, bộ truyền đai đặc biệt. Nếu mô men động cơ làm việc ở giá trị nhất định, sự biến đổi mô men sau hộp số vô cấp là đường liên tục, do vậy các bộ truyền này còn được gọi là bộ fruyên liên tực trong khoảng tỉ số truyền R cho trước. Ví dụ: trên biến mô men thủy lực, khoảng R có thé đạt tới 2,7, trên bộ truyền đai đặc biệt có thể R = 4,5. ¬ Hộp số có cấp, tạo thành HTTL Mẹ P, Số1 Bộ truyền có cập, được dùng phô biến trên ô tô. Tỉ Memax vô cập số truyền trong hộp số thay đổi với các r7” giá trị cố định khác nhau, do vậy còn ' được gọi là bộ ruyên gián đoạn. gián đoạn phụ thuộc vào số lượng tỉ sô : : Số 5 truyền bên trong hộp số.4 P , Ne uan v (km/h) hé luc kéo với vận toc 6 ˆ Q to ˆ ( ) toy, a) Quan hệ Me và nạ của b) Quan hệ P, và v tô (v) khi sử dụng hộp số 5 cấp và bộ động cơ của ô tô truyền vô cấp được trình bày trên hình 10.2b, tương ứng với đường đặc tính Hình 10.2: So sánh đặc tính P, và v của bộ truyền vô cắp với hộp sô có cắp ngoài của động cơ (hình 10. Ở bộ truyền cơ khí có cấp, các số truyền thực hiện không liên tục, còn ở bộ truyền vô cấp dạng đặc tính biến đổi liên tục, do vậy cho phép quá trình thay đổi mô men và tốc độ đều đặn, cho phép tận dụng tốt công suất của động cơ. HTTL của ô tô có thể được tập hợp bởi các bộ truyền vô cấp với hộp số có cấp, * Theo cầu trúc truyền lực giữa các bánh răng: các bánh răng ăn khớp ngoài với các trục cỗ định (hộp số thông thường), kết hợp các bánh răng ăn khớp trong và ăn khớp ngoài có trục đi động (hộp số hành tỉnh). Trong hộp số thường gặp các bộ truyền ăn khớp ngoài và bộ truyền hành tỉnh. * Theo phương pháp điều khiển chuyển số của hộp số: điều khiển bằng tay, điều khiển tự động và điều khiển bán tự động. Trong thời gian gần đây đã xuất hiện các hộp số cho phép làm việc theo phương pháp điều khiển bằng tay và điều khiển tự động tùy chọn bằng các nút chọn trên bảng điều khiển (hộp số hai li hợp trên một số ô tô con). 174 Với tinh chat đa dang của hộp số, trong tài liệu sẽ trình bày hai dạng hộp số thường gặp trên ô tô: hộp số đơn giản có cấp và hộp số tự động chuyến số. Hộp số có cấp thông thường Cầu tạo của hộp số cơ khí có cấp điển hình được trình bày trên hình 10.3a và bao gồm các các bộ phận cơ bản: l) Bộ phận đảm nhận chức năng truyền và biến đổi mô men bao b} Vị trí gài số của cần số gồm: các cặp bánh răng ăn khớp, các trục và 6 đỡ trục, vỏ hộp số. 2) Bộ phận điều khiển chuyển số đảm nhận chức năng chuyển số theo sự điều khiển của người lái và khả năng giữ nguyên trạng thái làm việc trong quá trình xe hoạt động. Bộ mạ ` RSS ; et phan nay bao gồm: cần số, các đòn kéo, thanh trượt, nạng gài, khớp gài, cơ cấu định vị, khóa hãm, cơ cầu bảo hiểm gài số lùi. Vị trí gài các số truyền của cần a) Mặt cắt của fg ACA Trục số số (b) là các điểm mút của các nhánh hộp SỐ ƒ lời (I. Tại vị trí trung gian (0.) của cần số, mô men truyền ra phía ) sau bị ngất. Hộp số cơ khí có cấp được phân Hình 10.3: Câu tạo của hộp số ô tô tải 5 số tiền chia theo: * Theo số lượng tỉ số truyền có trong hộp số có cấp: 3, 4., nhiều tỉ số truyền. Trong giao tiếp thường chỉ kế đến các số tiến của ô tô và số lượng tỉ số truyền tạo nên giữa trục chủ động và trục bị động được gọi là số lượng cấp truyền giản đoạn trong hộp số (số câp). Hộp số có 3 cấp, 4 cấp, 5 cấp là các loại hộp số có 3, 4, 5 cấp số truyền tiến, được sử dụng trên ô tô con, ô tô tải đa dụng, ô tô buýt. Trên ô tô tải nặng và ô tô chuyên dụng có thê sử dụng nhiều cấp truyền hơn (số lượng cấp truyền tiễn có thể tới 14, 1ó số truyền), nhằm phù hợp với điều kiện thay đổi tải trọng trong khoảng rat rộng của ô tô. Tên thường gọi của các số truyền phù hợp với khoảng tốc độ chuyển động của ô tô. Các số truyền tạo nên lực kéo ở bánh xe chủ động lớn và tốc độ ô tô thấp được gọi là các fay số thấp, và ngược lại là các £ay số cao. Như vậy trong hộp số: các tay số thấp có giá trị tỉ số truyền lớn, các tay số cao — giá trị tỉ số truyền nhô. Nhóm tay số cao được sử dụng nhiều khi ô tô chuyển động trong điều kiện đường tốt. Trong đó, số truyền cao nhất có thể có giá trị tỉ số truyền l= 1 (số truyền thăng), hoặc có tỉ số truyền in <1 (sé truyén ting tốc). 175 Nhóm tay số thấp được sử dụng khi ô tô chuyên động trong điều kiện cần khắc phục lực cản chuyển động lớn (đường xấu, đường dốc, chở nặng. Tay số thấp nhất (giá trị tỉ số truyền lớn nhất) được dùng để khởi hành xe. Đề đảm bảo khả năng thực hiện chuyển động lùi, trong hộp số có bố trí số truyền lùi với giá trị tỉ số truyền xấp xỉ bằng giá trị tỉ số truyền ở tay số tiễn thấp nhất. * Phân chia theo sơ đỗ bồ trí các bánh răng và trục trong hộp số bao gồm: hộp số 3 trục và hộp số 2 trục. Hộp số 3 trục là các hộp số có đa số các số truyén i, truyén qua 2 cặp bánh răng ăn khớp. Với cầu trúc tỉ số truyền truyền qua 2 cặp bánh răng ăn khớp nên chiều quay của trục chủ động và trục bị động không thay đổi, cho phép thực hiện một số giá trị tỉ số truyền lớn, tuy nhiên hiệu suất truyền lực sẽ thấp do phải truyền qua nhiều cap banh răng ăn khớp.3 là cau tạo của hộp số 3 trục dùng cho ô tô tải vừa với 5 số tiến và 1 số lùi. Các số tiễn 1, 2, 3, 4 đều thực hiện truyền qua 2 cặp bánh răng ăn khớp, số 5 là số truyền thăng, số lùi thực hiện truyền qua 3 cặp bánh răng nhằm đảo chiều quay của trục bị động. Hộp số 2 trục là các hộp số có đa số các số truyén i, truyén qua | cap banh rang an khớp. Các hộp số loại này rất phù hợp với HTTL của ô tô con đòi hỏi tốc độ cao (giá trị i, không cần lớn). a) Cấu trúc truyền và biến đổi mô men * ;iộp số 3 trục + Hộp số 5 số tiến Trên hình 10.4 mô tả sơ đồ kết cấu của hộp số 3 trục bố trí đọc theo xe (trình bày trên hình 10. Hộp số có 5 số tiến, một số lùi với 3 trục cơ bản [, II, II.