Đồ án thiết kế hộp số cơ khí ô tô: Phân tích và tính toán chi tiết cho hộp số hiệu quả

Đồ án kỹ thuật nghiên cứu thiết kế ô tô tên bài đồ án thiết kế hợp số cơ khí, thiết kế chi tiết, tính toán kỹ thuật theo tiêu chuẩn, đánh giá tính khả thi dự án.

• Tác giả: Nguyen Hai Dang
• Người hướng dẫn: ThS. Le Quang Tri
• Trường học: Trường Đại học Nông Lâm
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Ô tô
• Đề tài: Thiết kế hợp số cơ khí
• Loại tài liệu: Đồ án thiết kế ô tô
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Khái niệm và công dụng của hộp số cơ khí ô tô

Hộp số cơ khí là một trong những bộ phận quan trọng nhất của hệ thống truyền lực ô tô, đóng vai trò thay đổi tỉ số truyền và momen xoắn từ động cơ đến các bánh xe chủ động. Thiết kế hộp số cơ khí hiệu quả không chỉ giúp tăng hiệu suất truyền lực mà còn tối ưu hóa tiêu thụ nhiên liệu và giảm khí thải. Công dụng chính của hộp số bao gồm việc thay đổi tỉ số truyền phù hợp với momen cản luôn thay đổi, giúp tận dụng tối đa công suất của động cơ. Ngoài ra, hộp số cơ khí ô tô còn cho phép xe thay đổi chiều chuyển động, đảm bảo xe dừng tại chỗ mà không cần tắt máy, và dẫn động momen xoắn cho các bộ phận đặc biệt của các xe chuyên dụng. Việc thiết kế hộp số cần đảm bảo hiệu suất cao, tiếng ồn thấp, sang số nhẹ nhàng và kết cấu gọn bền chắc.

1.1. Tác dụng chính của hộp số trong hệ thống truyền lực

Hộp số cơ khí thay đổi tỉ số truyền để phù hợp với điều kiện chạy xe khác nhau, từ khởi động cho đến chạy với tốc độ cao. Mỗi tay số trong hộp số được thiết kế để cung cấp một tỉ số truyền khác nhau, giúp tối ưu hóa momen xoắn và công suất. Điều này cho phép động cơ luôn hoạt động trong vùng công suất tối ưu, nâng cao hiệu suất nhiên liệu và giảm lực va đạp lên bánh răng.

1.2. Yêu cầu kỹ thuật thiết kế hộp số hiệu quả

Thiết kế hộp số hiệu quả và bền vững phải đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất truyền lực cao (tối thiểu 93%), độ bền cơ cấu toàn bộ, khả năng chịu tải lớn, và giảm thiểu tiếng ồn. Kết cấu phải gọn nhẹ, dễ điều khiển, bảo dưỡng đơn giản, và có độ an toàn cao trong mọi điều kiện hoạt động.

II. Phân tích cấu trúc hộp số hai trục và ba trục

Hộp số cơ khí ô tô hiện đại thường sử dụng cấu trúc hai trục hoặc ba trục dọc, mỗi loại có những ưu, khuyết điểm riêng. Hộp số hai trục dọc được áp dụng rộng rãi trên các ô tô du lịch có cầu trước chủ động và động cơ đặt ngang phía trước. Đây là cấu trúc gọn gàng, giúp tiết kiệm không gian bên trong xe. Ngược lại, hộp số ba trục dọc cung cấp dãy tỉ số truyền linh hoạt hơn, thích hợp cho các ô tô có cầu sau chủ động. Cấu trúc ba trục cho phép tối ưu hóa hiệu suất truyền lực và cải thiện tính năng động lực học của xe. Khi thiết kế hộp số, cần phân tích kỹ lưỡng từng thành phần như cần số, trục trượt, càng gài số, cơ cấu định vị, bộ đồng tốc, cơ cấu an toàn số lùi, và vỏ hộp số để đạt được thiết kế hộp số tối ưu.

2.1. Đặc điểm hộp số hai trục dọc

Hộp số hai trục có cấu trúc đơn giản với một trục sơ cấp (nhận lực từ động cơ), một trục thứ cấp (truyền lực ra bánh xe), và các bánh răng khác nhau gắn trên mỗi trục. Ưu điểm là gọn gàng, tiếp kiệm chi phí sản xuất. Tuy nhiên, khuyết điểm là dãy tỉ số truyền hạn chế, không phù hợp với các ô tô cần tính năng động lực học cao.

2.2. Ưu điểm của hộp số ba trục dọc

Hộp số ba trục bao gồm trục sơ cấp, trục trung gian, và trục thứ cấp. Cấu trúc này cho phép sắp xếp các bánh răng linh hoạt hơn, cung cấp dãy tỉ số truyền rộng và phân bố tốt hơn. Hiệu suất truyền lực cải thiện, tiếng ồn giảm, và tính năng động lực học tối ưu hơn hộp số hai trục.

III. Quy trình tính toán và thiết kế các thành phần chính

Thiết kế hộp số cơ khí tuân theo quy trình tính toán khoa học và nghiêm ngặt. Bước đầu tiên là tính toán sơ bộ tỉ số truyền các tay số dựa trên công suất, momen xoắn cực đại của động cơ, và yêu cầu tốc độ tối đa của xe. Tiếp theo, xác định khoảng cách trục và modun pháp tuyến của bánh răng để đảm bảo khả năng chứa chỉ định vào trong vỏ hộp số. Sau đó, tính toán chi tiết số răng của các bánh răng khác nhau, góc nghiêng răng, và tỉ số truyền chính xác cho từng cặp bánh răng. Bước quan trọng tiếp theo là kiểm bền bánh răng theo tiêu chuẩn độ bền tiếp xúc và độ bền uốn. Cuối cùng, thiết kế trục hộp số, chọn ổ lăn, bộ đồng tốc, và kiểm tra toàn bộ cấu trúc để đảm bảo hiệu suất và độ bền bền vững.

3.1. Tính toán tỉ số truyền và thông số hình học bánh răng

Tỉ số truyền các tay số được tính dựa trên công thức i = Z₂/Z₁, trong đó Z₁ là số răng bánh chủ động, Z₂ là số răng bánh bị động. Modun pháp tuyến (m) được chọn để đảm bảo độ bền và khả năng chứa. Thông số hình học bao gồm đường kính lăn, góc nghiêng, độ dịch chuyển để tối ưu hóa thiết kế hộp số hiệu quả.

3.2. Kiểm bền bánh răng và trục hộp số

Kiểm bền tiếp xúc đảm bảo bánh răng không bị ăn mòn nhanh, kiểm bền uốn ngăn ngừa gãy đột ngột. Trục hộp số được kiểm bền bằng cách tính ứng suất uốn và uốn xoắn tại các vị trí tải trọng cao nhất. Sử dụng các hệ số an toàn để đảm bảo độ bền bền vững của toàn bộ hộp số.

IV. Các cơ cấu phụ trợ và hiệu suất của hộp số

Bên cạnh các bánh răng chính, hộp số cơ khí ô tô còn có các cơ cấu phụ trợ quan trọng giúp cải thiện hiệu suất và tính an toàn. Cơ cấu định vị giữ các trục ở vị trí chính xác, bộ đồng tốc (synchronizer) cho phép chuyển tay số mềm mại mà không bị va đạp, và cơ cấu an toàn số lùi ngăn ngừa xảy ra sự cố khi gài tay số lùi khi xe đang chạy. Vỏ hộp số phải được thiết kế để chứa đựng dầu nhớt, giảm tiếng ồn, và tản nhiệt hiệu quả. Hiệu suất của hộp số được đánh giá thông qua tỉ lệ tổn hao năng lượng, thường dat hiệu suất truyền lực từ 92-95% tùy vào cấu trúc và chất lượng sản xuất. Thiết kế hộp số bền vsustainable còn cân nhắc đến việc giảm trọng lượng, sử dụng vật liệu tiết kiệm năng lượng, và tối ưu hóa tiêu thụ dầu nhớt để bảo vệ môi trường.

4.1. Chức năng của bộ đồng tốc và cơ cấu an toàn

Bộ đồng tốc cân bằng tốc độ quay giữa bánh răng trước khi chúng ăn khớp, giảm tiếng ồn và lực va đạp. Cơ cấu an toàn số lùi ngăn chặn việc đột ngột gài lùi trong quá trình chạy xe tới. Các cơ cấu này đóng vai trò thiết yếu trong việc nâng cao thiết kế hộp số hiệu quả và an toàn.

4.2. Tối ưu hóa hiệu suất và tính bền vững

Hiệu suất hộp số phụ thuộc vào chất lượng gia công bánh răng, chọn dầu nhớt phù hợp, và thiết kế vỏ hộp số tối ưu. Thiết kế hộp số bền vững yêu cầu giảm trọng lượng, tiêu thụ ít dầu, và sử dụng vật liệu tái chế. Bảo dưỡng định kỳ và sử dụng kỹ thuật hiện đại giúp kéo dài tuổi thọ hộp số.

Trích đoạn nội dung tài liệu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM KHOA CƠ KHÍ BỘ MÔN CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ ------ ------ ĐỒ ÁN THIẾT KẾ Ô TÔ Tên bài đồ án : Thiết kế hợp số cơ khí Người hướng dẫn: ThS. Lê Quang Trí Lớp: DH21OT SVTH Nguyễn Hải Đăng – 21154145 Ngô Trần Đăng Khoa - 22154057 TP. Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2024 - MỤC LỤC MỤC LỤC.2 QUY TRÌNH THIẾT KẾ. Số liệu cho trước:.

Công dụng, yêu cầu của hộp số cơ khí. Phân tích đặc điểm kết cấu của hộp số.1 Đặc điểm hộp số 2 trục dọc. Nguyên lý làm việc. Ưu, khuyết điểm của hộp số hai trục:.2 Đặc điểm của hộp số 3 trục dọc.3 Phân tích kết cấu hộp số.4 Cần số, trục trượt, càng gài số.5 Cơ cấu định vị.7 Bộ đồng tốc.8 Cơ cấu an toàn số lùi.9 Vỏ hộp số.

Số liệu tính toán:. Thứ tự thiết kế:. Tính sơ bộ tỉ số truyền các tay số:.1 Tỷ số truyền của tay số 1:.2 Tỷ số truyền của các tay số trung gian:. Tính sơ bộ khoảng cách trục:.

Tính sơ bộ tỉ số truyền các cặp bánh răng:.1 Modun pháp tuyến của bánh răng:.2 Xác định số răng của các bánh răng trong hộp số:.3 Tính toán sơ bộ số răng và góc nghiêng răng các cặp bánh răng:.4 Tính chính xác lại số răng và tỉ số truyền các cặp bánh răng trên trục trung gian.5 Xác định tỉ số truyền trong hộp số ihs1, ihs2, ihs3 :.6 Tính toán bánh răng số lùi:.7 Thông số hình học các cặp bánh răng.8 Tính toán bền bánh răng. Tính toán kiểm bền bánh răng:.2 Tính toán cặp bánh răng số 3.3 Tính toán cặp bánh răng số 2.4 Tính toán cặp bánh răng số 1.51 * Kiểm nghiệm độ bền tiếp xúc.5 Tính toán cặp bánh răng ZL, ZL”.6 Tính toán cặp bánh răng ZL’, ZL”.7 Tính toán trục hộp số.8 Kiểm bền trục.1 Tính toán và kiểm bền trục sơ cấp:.2 Tính toán và kiểm bền trục trung gian:.79 Tay số 1: Nhập các lực và momen tác dụng tại vị trí bánh răng luôn ăn khớp và bánh răng chủ động tay số 1.82  Tay số 2: Nhập các lực và momen tác dụng tại vị trí bánh răng luôn ăn khớp và bánh răng chủ động tay số 2.84  Tay số 3: Nhập các lực và momen tác dụng tại vị trí bánh răng luôn ăn khớp và bánh răng chủ động tay số 3.87  Tay số Lùi: Nhập các lực và momen tác dụng tại vị trí bánh răng luôn ăn khớp và bánh răng chủ động tay số lùi.9 Tính toán và kiểm bền trục thứ cấp:.91 Tay số lùi: Nhập các lực và momen tác dụng tại vị trí bánh răng bị động tay số lùi.93 Tay số 1: Nhập các lực và momen tác dụng tại vị trí bánh răng bị động tay số .96 Tay số 2: Nhập các lực và momen tác dụng tại vị trí bánh răng bị động tay số .99 Tay số 3: Nhập các lực và momen tác dụng tại vị trí bánh răng bị động tay số.10 Tính toán và kiểm bền trục lùi. Chọn ổ lăn và đồng tốc cho hộp số:.1 Chọn ổ cho trục thứ cấp:.2 Chọn ổ cho trục trung gian:.3 Chọn ổ trục sơ cấp:. Xác định các thông số cơ bản của đồng tốc hộp số.

Chọn loại bộ đồng tốc hộp số. Mômen quán tính khối lượng tổng cộng quy dẫn về trục li hợp. Mômen quán tính J1.Mômen quán tính J2. Mômen quán tính quy dẫn của các bánh răng trên trục thứ cấp Jz3.

Mômen ma sát yêu cầu của bộ đồng tốc. Bán kính ma sát của bộ đồng tốc. Chiều rộng bề mặt vành ma sát của bộ đồng tốc. Góc nghiêng của bề mặt hãm .

TÍNH TOÁN KIỂM TRA CÁC THÔNG SỐ BỘ ĐỒNG TỐC. Mômen ma sát thực tế của đồng tốc. Thời gian chuyển số thực tế của đồng tốc. Công trượt của đôi bề mặt côn ma sát của đồng tốc.

Công trượt riêng của đôi bề mặt côn ma sát của đồng tốc.Tính toán thiết kế then.1 Kiểm bền then.125 TÀI LIỆU THAM KHẢO.126 TKOT Trang - QUY TRÌNH THIẾT KẾ 1. Số liệu cho trước: STT Nội dung Ký hiệu Đơn vị Giá trị 1 Chiều dài toàn bộ L0 mm 8290 2 Rộng toàn bộ B0 mm 2484 3 Cao toàn bộ H mm 2700 4 Rộng cơ sở B mm 1825 5 Dài cơ sở L mm 4080 6 Khối lượng toàn bộ xe khi đầy tải G Kg 24780 7 Số cấp hộp số i 4 8 Tỉ số truyền của truyền lực chính 𝑖0 7,5 9 Thông số lốp B-d Inch 11,00 – 20 10 Công suất lớn nhất NeN kW 179,04 11 Số vòng quay cực đại neN rpm 2100 12 Momen xoắn cực đại MeM Nm 882,9 Số vòng quay của momen xoắn cực 13 neM rpm 1350 đại 14 Tốc độ lớn nhất Vmax Km/h / m/s 20 / 5,55 15 Hiệu suất 𝜂 0,93 16 f0 0,015 17 Cầu sau chủ động Tỉ số truyền tay số cuối đối với xe 4 1 cấp số 18 Tỉ số truyền tay số cuối đối với xe 5 0,87 cấp số TKOT Trang - 2. Công dụng, yêu cầu của hộp số cơ khí 2.1 Công dụng:  Nhằm thay đổi tỉ số truyền và momen xoắn từ động cơ đến các bánh xe chủ động phù hợp với momen cản luôn thay đổi và nhằm tận dụng tối đa công suất của dộng cơ.  Giúp cho xe thay đổi được chiều chuyển động.

 Đảm bảo cho xe dừng tại chỗ mà không cần tắt máy hoặc không cần tách ly hợp.  Dẫn động momen xoắn ra ngoài cho các bộ phận đặc biết đối với các xe chuyên dụng.2 Yêu cầu:  Có dãy tỷ số truyền phù hợp nhằm nâng cao tính năng động lực học và tính năng kinh tế của ô tô.  Phải có hiệu suất truyền lực cao, không có tiếng ồn khi làm việc, sang số nhẹ nhàng, không sinh ra lực va đạp ở các bánh răng khi gài số.  Phải có kết cấu gọn bền chắc, dễ điều khiển, dễ bảo dưỡng hoặc kiểm tra và sữa chữa khi có hư hỏng.

Phân tích đặc điểm kết cấu của hộp số.1 Đặc điểm hộp số 2 trục dọc 3. Kết cấu Hộp số hai trục (hình 1-1) được sử dụng rộng rãi trên những ô tô du lịch có cầu trước chủ động và động cơ đặt ngang phía trước, hoặc có cầu sau chủ động và động cơ đặt phía sau, vỏ hộp số được đúc liền với vỏ truyền lực chính và vi sai (hình 2-1) Hình 1-1. Sơ đồ hộp số hai trục TKOT Trang - 1 - Trục chủ động; 2 - Trục bị động; Z1Z1 - Cặp bánh răng truyền động số1; Z2Z2 - Cặp bánh răng truyền động số 2; Z3Z3- Cặp bánh răng truyền động số 3; Z4Z4- Cặp bánh răng truyền động số 4; Z5Z5- Cặp bánh răng truyền động số 5; Z”LZ’LZL- Các bánh răng truyền động số lùi Sơ đồ cấu tạo của hộp số hai trục được thể hiện trên hình (2-1a). Ngoài vỏ hộp số không thể hiện ở đây, các bộ phận chính của hộp số bao gồm: trục chủ động (1), trục bị động (2), các bánh răng trên trục chủ động Z1, Z2, Z3, Z4, Z5, ZL; các bánh răng trên trục bị động Z'1,Z’2,Z’3,Z’4,Z’5,Z’’L; các bộ đồng tốc quán tính (3), (4) và (5).

Các bánh răng trên trục chủ động Z1, Z2, Z3, Z4, Z5, ZL được cố định trên trục bằng then. Còn các bánh răng trên trục bị động Z'1,Z’2, Z’3,Z’4,Z’5, được quay trơn trên trục; bánh răng Z”L đựơc chế tạo liền với bộ đồng tốc (3). Các bộ đồng tốc (3), (4) và (5) liên kết then hoa với trục bị động. Các bộ đồng tốc có vành gài, vành đồng ma sát ở hai phía để thực hiện gài số.

Nguyên lý làm việc Khi động cơ nổ, ly hợp đóng; các bộ đồng tốc (3), (4) và (5) ở vị trí trung gian, mặc dù các bánh răng trên trục chủ động và bị động luôn ăn khớp với nhau TKOT Trang - nhưng các bánh răng trên trục bị động quay trơn với trục nên hộp số chưa truyền mômen (số 0). Các số truyền của hộp số được thực hiện như sau: - Số I: để gài số I, người lái điều khiển bộ đồng tốc (3) dịch chuyển sang phải ăn khớp với bánh răng (Z'1) khi đó dòng truyền mô men từ trục (1) → (Z1) →(Z'1)→bộ đồng tốc (3) → trục (2) → bộ vi sai của cầu → bánh xe - Số II: để gài số II, người lái điều khiển bộ đồng tốc (3) dịch chuyển sang trái ăn khớp với bánh răng (Z'2) khi đó dòng truyền mô men từ (1) → (Z2) →(Z'2)→bộ đồng tốc (3) → trục (2) → bộ vi sai của cầu → bánh xe - Số III: để gài số III, người ta điều khiển bộ đồng tốc (4) dịch chuyển sang phải ăn khớp với bánh răng (Z'3) khi đó dòng truyền mô men từ (1) → (Z3) →(Z'3)→ bộ đồng tốc (3) → trục (2) → bộ vi sai của cầu → bánh xe - Số IV: để gài số IV, người ta điều khiển bộ đồng tốc (4) dịch chuyển sang trái ăn khớp với bánh răng (Z'4) khi đó dòng truyền mô men từ (1) → (Z1) →(Z'1)→ bộ đồng tốc (3) → trục (2) → bộ vi sai của cầu → bánh xe - Số V: để gài số V, người ta điều khiển bộ đồng tốc (5) dịch chuyển sang phải ăn khớp với bánh răng (Z'5) khi đó dòng truyền mô men từ (1) → (Z1) →(Z'1)→ bộ đồng tốc (3) → trục (2) → bộ vi sai của cầu → bánh xe - Số lùi: các bộ đồng tốc ở vị trí trung gian, người lái điều khiển cho bánh răng Z’L dịch chuyển sang phải cùng ăn khớp với 2 bánh răng Z”L và ZL khi đó dòng truyền mô mem số lùi như sau: từ trục (1) → (ZL) →(Z'L)→(Z”L ) bộ đồng tốc (3) → trục (2) → bộ vi sai của cầu → bánh xe 3. Ưu, khuyết điểm của hộp số hai trục: Ưu điểm: - Độ cứng vững và độ bền của các trục và bánh răng cao vì không bị hạn chế bởi điều kiện kích thước. - Cấu tạo đơn giản, thuận tiện khi sử dụng.

Nhược điểm của hộp số hai trục: TKOT Trang - - Khi cần có tỷ số truyền lớn thì kích thước phải lớn. - Không bố trí được số truyền thẳng.2 Đặc điểm của hộp số 3 trục dọc. Hộp số 3 trục dọc 4 cấp số Thường được sử dụng trên các loại ô tô con vận tải nhỏ, như các loại ô tô GAT-66, UAZ- 469 Trong hộp số, các số III và IV được gài bằng bộ đồng tốc, các số I, II và các số lùi được gài bằng khớp gài, hoặc tất cả các số tiến đều được gài bằng các bộ đồng tốc.Hộp số ba trục dọc 5 cấp Thường được sử dụng trên các loại ô tô vận tải có tải trọng trung bình vàtải trọng lớn.