Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong hệ thống truyền lực của ô tô, hộp số là cụm chi tiết nằm giữa ly hợp và trục truyền động các-đăng, giữ vai trò truyền và biến đổi mô-men xoắn cũng như số vòng quay từ động cơ đến các bánh xe chủ động. Quá trình vận hành thực tế của phương tiện đòi hỏi các giá trị lực kéo và tốc độ thay đổi liên tục tùy thuộc vào điều kiện mặt đường, tải trọng và chế độ làm việc. Đề tài khóa luận tốt nghiệp "Tính toán thiết kế hộp số ô tô" do sinh viên Nguyễn Phúc Long thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Lê Thái Hà tại Khoa Cơ điện và Công trình, Trường Đại học Lâm Nghiệp (năm 2022) xuất phát từ yêu cầu kỹ thuật thực tiễn: việc tính toán thiết kế chính xác là bước đầu tiên để hình thành sản phẩm hoàn chỉnh, bảo đảm các chi tiết sau gia công đáp ứng yêu cầu lắp ghép, độ bền, vận hành êm dịu, an toàn và tối ưu hóa hiệu suất làm việc của ô tô.
Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể theo văn bản gồm 4 nội dung:
- Tổng hợp các kiến thức chuyên ngành kỹ thuật ô tô kết hợp quá trình thực tập và nghiên cứu tài liệu kỹ thuật chuyên khảo.
- Khảo sát thông số kỹ thuật, đặc điểm kết cấu, ưu điểm và nhược điểm của các dạng hộp số cơ khí thông dụng.
- Xác định các thông số ban đầu, tính toán số cấp và dãy tỷ số truyền của hộp số nhằm đảm bảo chất lượng động lực học và tính kinh tế nhiên liệu của xe trong các điều kiện làm việc.
- Xác định các thông số điều khiển và tính toán thiết kế chi tiết bộ đồng tốc của hộp số, bảo đảm nâng cao tính năng động lực và giúp quá trình gài số êm dịu, không gây va đập răng.
Đối tượng nghiên cứu của khóa luận là cụm hộp số cơ khí có cấp dùng trên xe khách. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc tính toán động học, động lực học và thiết kế kết cấu hộp số cơ khí 3 trục 5 cấp số tiến và 1 số lùi, dựa trên hệ quy chiếu thông số kỹ thuật thực tế của mẫu xe khách 47 chỗ ngồi Hyundai Universe Advanced phiên bản năm 2019.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Khóa luận xây dựng trên nền tảng lý thuyết tính toán thiết kế ô tô và nguyên lý máy chuyên ngành kỹ thuật cơ khí động lực:
- Lý thuyết động lực học kéo và điều kiện bám: Ứng dụng phương trình cân bằng công suất và phương trình chuyển động của ô tô để xác định tỷ số truyền của truyền lực chính $i_0$ và tỷ số truyền tay số 1 $i_{h1}$, kết hợp kiểm tra điều kiện bám giữa bánh xe chủ động với mặt đường ($\psi = 0,30 \div 0,40$; hệ số bám $\varphi = 0,7 \div 0,8$).
- Lý thuyết phân bổ dãy tỷ số truyền: Phương pháp thiết kế số cấp hộp số theo phân phối cấp số nhân với công bội $q$, xác định các tỷ số truyền trung gian $i_{hk}$.
- Lý thuyết hình học và động học truyền động bánh răng: Phương pháp tính toán kích thước khoảng cách trục $A$, mô-đun pháp tuyến $m$, góc nghiêng răng $\beta$, số răng $Z$, đường kính chia $d_c$, đường kính đỉnh $d_a$, đường kính đáy $d_f$.
- Lý thuyết quán tính và ma sát của bộ đồng tốc: Phương pháp tính toán mô-men quán tính khối lượng của các chi tiết quay quy dẫn về trục ly hợp $J_{qd}$, tính toán mô-men ma sát, bán kính ma sát, công trượt và công trượt riêng của vành côn ma sát.
Phương pháp nghiên cứu được triển khai bao gồm:
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Ứng dụng các công thức giải tích cơ học kỹ thuật và tiêu chuẩn thiết kế cơ khí ô tô truyền thống.
- Phương pháp thu thập và phân tích số liệu: Thu thập bộ thông số kỹ thuật gốc của xe mẫu tham khảo (Hyundai Universe Advanced 2019).
- Phương pháp tổng kết và phân tích kinh nghiệm: Lựa chọn các hệ số thực nghiệm ($k_A, q, b/A$) từ các sổ tay thiết kế ô tô chuyên ngành để tối ưu hóa kích thước và khối lượng cụm truyền động.
Nội dung chính theo từng chương
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
Chương này làm rõ vai trò của hệ thống truyền lực ô tô gồm 4 bộ phận chính: bộ ly hợp, hộp số, trục các-đăng và bộ vi sai. Tác giả khẳng định vị trí trung gian của hộp số có chức năng phân phối mô-men xoắn từ động cơ đến các bánh xe chủ động; việc điều khiển cần số chính xác và nhẹ nhàng là yêu cầu cấp thiết để nâng cao an toàn và giảm thiểu mệt mỏi cho người lái.
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HỘP SỐ
Chương 2 phân tích công dụng, yêu cầu kỹ thuật và phân loại hộp số ô tô:
- Phân loại: Theo tính chất truyền mô-men (vô cấp, có cấp từ 3 đến 20 cấp); theo số trục (hộp số 2 trục, hộp số 3 trục đồng tâm); theo số cấp (hộp số thường $\le 6$ cấp, hộp số nhiều cấp $> 6$ cấp).
- Đặc điểm kết cấu: Phân tích ưu nhược điểm của hộp số 3 trục (hiệu suất cao $0,96 \div 0,98$, có số truyền thẳng), hộp số 2 trục (gọn khi động cơ đặt gần cầu chủ động nhưng không có số truyền thẳng), hộp số nhiều cấp phối hợp hộp số phụ (bố trí trước hoặc sau).
- Cơ cấu điều khiển và an toàn: Mô tả chi tiết cơ cấu điều khiển từ xa, cơ cấu định vị bằng bi lò xo, khóa hãm chống gài hai số cùng lúc, chốt cản chống gài nhầm số lùi, ống gài số và bộ đồng tốc (loại I - chốt hãm; loại II - răng hãm).
CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LOẠI XE THAM KHẢO THIẾT KẾ
Tác giả giới thiệu mẫu xe khách Hyundai Universe Advanced 2019 với khung gầm liền khối (monocoque), động cơ đặt sau. Bảng thông số kỹ thuật đầu vào phục vụ thiết kế:
| Thông số kỹ thuật |
Giá trị |
| Kích thước tổng thể ($D \times R \times C$) |
$12060 \times 2495 \times 3535$ mm |
| Chiều dài cơ sở / Khoảng sáng gầm xe |
$6120$ mm / $200$ mm |
| Vết bánh xe trước / sau |
$2052 \times 1826$ mm |
| Trọng lượng bản thân / Trọng lượng toàn tải |
$12320$ kg / $16000$ kg (47 chỗ ngồi) |
| Kiểu động cơ |
Diesel D6CK38E4, 4 kỳ, 6 xi lanh thẳng hàng, tăng áp |
| Dung tích công tác |
$12742$ cc |
| Công suất cực đại / Tốc độ quay |
$380$ Ps / $1900$ vòng/phút |
| Mô-men xoắn cực đại / Tốc độ quay |
$1452$ N.m / $1200$ vòng/phút |
| Vận tốc cực đại / Khả năng leo dốc cực đại |
$117$ km/h / $30,8%$ |
| Ký hiệu lốp trước và sau |
$12\text{R}22.5$ |
CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU VÀ PHÂN TÍCH PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ HỘP SỐ
- Bán kính làm việc bánh xe chủ động: $r_b = (B + d/2) \cdot 25,4 = (12 + 22,5/2) \cdot 25,4 = 590,55\text{ mm} = 0,59\text{ m}$.
- Tốc độ góc cực đại của động cơ: $\omega_e = \frac{\pi \cdot 1900}{30} = 198,97\text{ rad/s}$.
- Vận tốc cực đại: $v_{max} = 117\text{ km/h} = 32,5\text{ m/s}$.
- Tỷ số truyền lực chính: $i_0 = \frac{\omega_e \cdot r_b}{v_{max} \cdot i_{hn}} = \frac{198,97 \cdot 0,59}{32,5 \cdot 1} = 3,609$.
- Tỷ số truyền tay số 1: Tính theo điều kiện kéo với $G = 16000 \cdot 9,81 = 156960\text{ N}$, $\psi = 0,3$, $\eta_{tl} = 0,85$:
$$i_{h1} = \frac{G \cdot \psi \cdot r_b}{M_{emax} \cdot i_0 \cdot \eta_{tl}} = \frac{156960 \cdot 0,3 \cdot 0,59}{1452 \cdot 3,609 \cdot 0,85} = 6,231$$
- Kiểm tra điều kiện bám: Tải trọng cầu sau chủ động chiếm $70%$ trọng lượng xe ($G_{cđ} = 0,7 \cdot 156960 = 109872\text{ N}$), hệ số phân bố lại tải trọng $m_{cđ} = 1,3$, hệ số bám $\varphi = 0,8$. Kết quả thỏa mãn điều kiện chống trượt quay khi khởi hành.
- Xác định số cấp và dãy tỷ số truyền: Với công bội $q = 1,6$, số cấp tính toán $n = 4,893 \approx 5$ cấp. Công bội thực tế $q^* = \sqrt[4]{6,231/1} = 1,580$. Dãy tỷ số truyền các cấp:
$$i_{h1} = 6,231; \quad i_{h2} = 3,944; \quad i_{h3} = 2,496; \quad i_{h4} = 1,580; \quad i_{h5} = 1,000$$
- Lựa chọn phương án thiết kế: So sánh 3 phương án (hộp số 2 trục 5 cấp; hộp số 3 trục 5 cấp có bánh răng số 1 và lùi luôn ăn khớp; hộp số 3 trục 5 cấp có bánh răng số 1 và lùi không luôn ăn khớp). Tác giả lựa chọn Phương án 3 do phù hợp với xe khách bố trí động cơ đặt dọc phía sau, có số truyền thẳng đạt hiệu suất cao, giảm tải cho ổ trục trung gian và kết cấu trục cứng vững.
CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỘP SỐ XE Ô TÔ
Chương 5 trình bày toàn bộ quá trình tính toán kích thước hình học các cặp bánh răng, khoảng cách trục, đường kính trục, mô-men quán tính khối lượng và bộ đồng tốc loại chốt hãm.
Thiết kế và tính toán kỹ thuật cụ thể
1. Khoảng cách trục và kích thước cơ bản
- Khoảng cách trục sơ bộ: $A = k_A \cdot \sqrt[3]{M_{emax} \cdot i_{h1}} = 9 \cdot \sqrt[3]{1452 \cdot 6,231} = 187,54\text{ mm}$, làm tròn quy chuẩn $A = 190\text{ mm}$.
- Chiều rộng vành răng: $b \approx 0,21 \cdot A \approx 39\text{ mm}$; cặp bánh răng chịu tải nặng (số 1 và số lùi) chọn $b = 43\text{ mm}$.
- Mô-đun pháp tuyến: $m = 3,5\text{ mm}$ cho các số truyền cao; $m = 4,0\text{ mm}$ cho tay số 1 và số lùi.
- Chiều dài sơ bộ trục sơ cấp $L_1 \approx 280\text{ mm}$; trục thứ cấp và trung gian $L_2 \approx L_3 \approx 450\text{ mm}$. Đường kính trục sơ cấp $d_1 = 50\text{ mm}$, trục thứ cấp $d_2 = 0,45 \cdot A = 85,5 \approx 90\text{ mm}$.
2. Thông số hình học và tỷ số truyền các cặp bánh răng
| Cặp bánh răng |
Tỷ số truyền cặp ($i_k$) |
Số răng chủ động ($Z$) |
Số răng bị động ($Z'$) |
Mô-đun $m$ (mm) |
Góc nghiêng $\beta$ |
Tỷ số truyền cấp số ($i_{hk}$) |
| Cặp luôn ăn khớp ($a$) |
$1,176$ |
$45$ |
$53$ |
$3,5$ |
$25^\circ 29' 38''$ |
— |
| Cặp gài số 1 |
$5,300$ |
$15$ |
$80$ |
$4,0$ |
$0^\circ 00' 00''$ |
$i_{h1} = 6,231$ |
| Cặp gài số 2 |
$3,354$ |
$22$ |
$74$ |
$3,5$ |
$27^\circ 50' 44''$ |
$i_{h2} = 3,944$ |
| Cặp gài số 3 |
$2,122$ |
$31$ |
$66$ |
$3,5$ |
$26^\circ 41' 37''$ |
$i_{h3} = 2,496$ |
| Cặp gài số 4 |
$1,344$ |
$42$ |
$56$ |
$3,5$ |
$25^\circ 29' 38''$ |
$i_{h4} = 1,580$ |
| Số 5 (Truyền thẳng) |
— |
— |
— |
— |
— |
$i_{h5} = 1,000$ |
| Cặp số lùi |
— |
$Z_{aL}=17, Z_{1L}=15$ |
$Z_{bL}=20, Z'_{1L}=80$ |
$4,0$ |
$0^\circ 00' 00''$ |
$i_{hL} = 7,389$ |
3. Kích thước lắp ghép và mô-men quán tính khối lượng quy dẫn
- Khối lượng riêng vật liệu chế tạo bánh răng (thép/gang): $\rho = 7800\text{ kg/m}^3$.
| Cặp bánh răng |
Bán kính chia $R$ (mm) |
Bán kính chia $R'$ (mm) |
Đường kính trục $d_c$ (mm) |
Đường kính trục $d_t$ (mm) |
$J_k$ ($\text{kg}\cdot\text{mm}^2$) |
$J'_k$ ($\text{kg}\cdot\text{mm}^2$) |
$J_{qd}$ ($\text{kg}\cdot\text{mm}^2$) |
$J'_{qd}$ ($\text{kg}\cdot\text{mm}^2$) |
| Cặp dùng chung |
$86,89$ |
$102,34$ |
$50$ |
$50$ |
$27050,28$ |
$52228,97$ |
$27050,28$ |
$37765,64$ |
| Gài số 4 |
$81,10$ |
$108,13$ |
$65^*$ |
$50$ |
$20484,39$ |
$63363,24$ |
$14811,82$ |
$25381,85$ |
| Gài số 3 |
$60,36$ |
$128,51$ |
$70^*$ |
$50$ |
$6156,07$ |
$128365,29$ |
$4451,32$ |
$20604,33$ |
| Gài số 2 |
$43,21$ |
$145,34$ |
$85^*$ |
$60^*$ |
$1479,12$ |
$211256,53$ |
$1069,52$ |
$13581,14$ |
| Gài số 1 |
$30,00$ |
$160,00$ |
$90$ |
$35^*$ |
$200,39$ |
$311195,33$ |
$144,90$ |
$8015,26$ |
(Ghi chú: Ký hiệu $$ biểu thị đường kính trục đã được tác giả hiệu chỉnh tương thích với đường kính vòng chia).*
4. Kết cấu và nguyên lý làm việc của bộ đồng tốc lựa chọn
Đối với xe khách tổng tải trọng 16 tấn, tác giả lựa chọn bộ đồng tốc loại Ia (kiểu chốt hãm với bộ phận nối liền khối).
- Nguyên lý hoạt động: Khi người lái gài số, lực điều khiển dịch chuyển ống nối sang bên. Bộ phận định vị đưa vành ma sát côn tiếp xúc trước với mặt côn của bánh răng gài số, sinh ra mô-men ma sát làm đồng tốc độ giữa trục và bánh răng. Khi còn chênh lệch tốc độ, mô-men ma sát làm chốt hãm tựa vào bề mặt hãm tạo phản lực chiều trục $Q' \ge Q$ (lực gài của tay người lái), ngăn cản ống nối gài khớp sớm. Khi tốc độ đã đồng đều, mô-men ma sát triệt tiêu, phản lực hãm biến mất, lực gài thắng lực lò xo định vị để đẩy ống nối ăn khớp êm dịu hoàn toàn.
Kết quả và đóng góp
Khóa luận đã hoàn thành toàn bộ các nội dung tính toán thiết kế kỹ thuật với những kết quả cụ thể:
- Xác lập chuỗi thông số động lực học hoàn chỉnh: Tính toán chính xác tỷ số truyền lực chính $i_0 = 3,609$ và dãy tỷ số truyền 5 cấp số tiến ($6,231; 3,944; 2,496; 1,580; 1,000$) cùng số lùi ($7,389$), đáp ứng đầy đủ điều kiện kéo ở dốc lớn ($30,8%$) và tốc độ cực đại ($117\text{ km/h}$) của xe khách 16 tấn.
- Thiết kế chi tiết hệ thống truyền động bánh răng: Xác định chính xác các kích thước hình học, số răng, mô-đun, góc nghiêng và đường kính trục lắp ghép chuẩn hóa theo khoảng cách trục $A = 190\text{ mm}$.
- Quy dẫn mô-men quán tính khối lượng: Tính toán đầy đủ mô-men quán tính các bánh răng trên trục trung gian và trục thứ cấp quy dẫn về trục ly hợp, tạo cơ sở cho việc tính toán tải trọng động học của bộ đồng tốc.
- Lựa chọn giải pháp đồng tốc phù hợp: Chứng minh tính hợp lý của bộ đồng tốc kiểu chốt hãm loại Ia cho các dòng xe thương mại tải trọng lớn, giúp tăng độ bền cơ học và loại bỏ hiện tượng va đập răng khi chuyển số.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế: Nội dung khóa luận tập trung chủ yếu vào tính toán động học, động lực học, kích thước hình học và tính toán sơ bộ bộ đồng tốc; chưa triển khai các bước kiểm nghiệm bền chi tiết chuyên sâu (ứng suất uốn chân răng $\sigma_F$, ứng suất tiếp xúc mặt răng $\sigma_H$, độ bền mỏi then hoa và tuổi thọ ổ lăn dưới tải trọng thay đổi) trong phần văn bản trích xuất; chưa ứng dụng phần mềm mô phỏng số 3D hay kiểm nghiệm thực nghiệm chế tạo.
- Hướng nghiên cứu tiếp: Mở rộng tính toán kiểm tra bền toàn diện các chi tiết chịu lực dưới điều kiện tải trọng động; mô phỏng động lực học quá trình gài số trên các phần mềm chuyên ngành (như ANSYS, MATLAB/Simulink); tối ưu hóa vật liệu chế tạo và công nghệ nhiệt luyện bề mặt răng.
Giá trị tham khảo
Khóa luận là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích cho:
- Sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô và Cơ khí Động lực: Tham khảo phương pháp luận, trình tự tính toán động học hệ thống truyền lực, cách phân phối tỷ số truyền theo công bội cấp số nhân và quy trình thiết kế hộp số cơ khí 3 trục.
- Kỹ sư và cán bộ kỹ thuật thiết kế ô tô: Tham khảo bộ số liệu thiết kế thực tế, bảng thông số hình học bánh răng, bảng tính mô-men quán tính khối lượng quy dẫn và nguyên lý tính toán bộ đồng tốc chốt hãm trên dòng xe khách cỡ lớn.
Câu hỏi thường gặp
1. Mẫu xe nào được tác giả lựa chọn làm cơ sở tham khảo tính toán và các thông số vận hành chính là gì?
Tác giả lựa chọn mẫu xe khách Hyundai Universe Advanced đời 2019, có trọng lượng toàn tải 16.000 kg (47 chỗ ngồi), trang bị động cơ Diesel D6CK38E4 công suất cực đại 380 Ps tại 1900 vòng/phút, mô-men xoắn cực đại 1452 N.m tại 1200 vòng/phút, lốp 12R22.5, vận tốc tối đa 117 km/h và khả năng leo dốc cực đại 30,8%.
2. Vì sao tác giả lựa chọn phương án hộp số 3 trục thay vì hộp số 2 trục cho xe khách thiết kế?
Hộp số 2 trục có tỷ số truyền tay số thấp bị hạn chế ($i_{h1} < 4 \div 4,5$), kích thước chiều ngang lớn và không có số truyền thẳng, không phù hợp với kiểu bố trí động cơ đặt dọc ở đuôi xe khách. Ngược lại, hộp số 3 trục cho phép tạo tỷ số truyền tay số 1 lớn ($i_{h1} = 6,231$), kích thước gọn gàng và có tay số 5 là số truyền thẳng ($i_{h5} = 1$) giúp triệt tiêu tổn thất ma sát bánh răng, giảm tiếng ồn và tăng tuổi thọ hệ thống truyền lực khi chạy trên đường trường.
3. Dãy tỷ số truyền và số răng của các cặp bánh răng số tiến được xác định cụ thể như thế nào?
Dãy tỷ số truyền gồm 5 cấp: $i_{h1} = 6,231; i_{h2} = 3,944; i_{h3} = 2,496; i_{h4} = 1,580; i_{h5} = 1,000$. Số răng của các cặp bánh răng tương ứng:
- Cặp bánh răng dùng chung (luôn ăn khớp): $Z_a = 45, Z'_a = 53$ ($m = 3,5\text{ mm}, \beta = 25^\circ 29' 38''$).
- Cặp gài số 1: $Z_1 = 15, Z'_1 = 80$ ($m = 4,0\text{ mm}, \beta = 0^\circ$).
- Cặp gài số 2: $Z_2 = 22, Z'_2 = 74$ ($m = 3,5\text{ mm}, \beta = 27^\circ 50' 44''$).
- Cặp gài số 3: $Z_3 = 31, Z'_3 = 66$ ($m = 3,5\text{ mm}, \beta = 26^\circ 41' 37''$).
- Cặp gài số 4: $Z_4 = 42, Z'_4 = 56$ ($m = 3,5\text{ mm}, \beta = 25^\circ 29' 38''$).
4. Khoảng cách trục và kích thước đường kính các trục của hộp số được tính toán là bao nhiêu?
Khoảng cách trục tính sơ bộ $A = 187,54\text{ mm}$, được làm tròn quy chuẩn lên $A = 190\text{ mm}$. Đường kính trục sơ cấp được xác định là $d_1 = 50\text{ mm}$ (chiều dài $L_1 \approx 280\text{ mm}$); đường kính trục thứ cấp là $d_2 = 0,45 \cdot A = 85,5\text{ mm}$, chọn quy chuẩn $d_2 = 90\text{ mm}$ (chiều dài $L_2 \approx 450\text{ mm}$).
5. Khóa luận chọn loại bộ đồng tốc nào và nguyên nhân lựa chọn kết cấu này là gì?
Tác giả lựa chọn bộ đồng tốc loại Ia (loại chốt hãm với bộ phận nối liền khối). Nguyên nhân là do xe khách thiết kế có tổng tải trọng lớn (16 tấn), kích thước các bánh răng lớn; bộ đồng tốc kiểu chốt hãm sở hữu kết cấu vững chắc, độ tin cậy cao, tạo được lực cản chống gài số cưỡng bức an toàn khi chưa đồng đều tốc độ góc giữa bánh răng và trục.
Kết luận
Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Phúc Long đã giải quyết đầy đủ bài toán tính toán thiết kế cụm hộp số cơ khí 3 trục 5 cấp số tiến cho xe khách 16 tấn dựa trên nền tảng mẫu xe Hyundai Universe Advanced 2019. Toàn bộ các thông số động lực học, tỷ số truyền, kích thước hình học bánh răng, trục truyền và bộ đồng tốc chốt hãm đều được tính toán giải tích rõ ràng, nhất quán và tuân thủ các quy chuẩn cơ khí động lực. Kết quả nghiên cứu cung cấp tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo chuyên ngành cao cho công tác đào tạo và thiết kế hệ thống truyền lực ô tô thương mại.
