Thiết Kế Hộp Số Xe Con: Phân Tích, Tính Toán và Kết Cấu Chi Tiết

Tài liệu nghiên cứu Thiết kế hộp số xe con, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên sâu về ., phục vụ nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

• Tác giả: Nguyễn Thiện Thuật
• Người hướng dẫn: Thầy Trương Đình Phong
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Ô Tô
• Đề tài: Thiết Kế Hộp Số Xe Con
• Loại tài liệu: Đồ án môn học
• Địa điểm: Đà Nẵng

Mục lục chi tiết

• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỘP SỐ Ô TÔ
• 1.1. Công dụng, phân loại , yêu cầu
• 1.2. Loại và sơ đồ động hộp số
• 1.2.1. Hộp số hai trục
• 1.2.2. Hộp số 3 trục
• 2. Cơ cấu điều khiển hộp số
• 2.1. Đặc điểm kết cấu cơ cấu điều khiển
• 2.2. Đặc điểm kết cấu cơ cấu định vị và khóa hãm
• 2.3. Ống gài số
• 2.4. Bộ đồng tốc hộp số ô tô
• 2.4.1. Bộ đồng tốc loại I (loại chốt hãm)
• 2.4.2. Bộ đồng tốc loại II ( loại răng hãm):
• 3. TÍNH TOÁN XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU
• 3.1. Tính toán xác định các thông số yêu cầu ban đầu
• 3.2. Tính tỷ số truyền của số thấp nhất
• 3.3. Tính tỷ số cấp của hộp số
• 3.4. Tính tỷ số trung gian cảu hộp số thường
• 3.5. Tính tỷ số truyền số lùi
• 3.6. Phương án thiết kế hộp số và sơ đồ động học hộp số
• 4. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN
• 4.1. Tính toán kích thước cơ bản của trục và các cặp bánh răng hộp số
• 4.2. Khoảng cách trục hộp số
• 4.3. Kích thước theo chiều trục cac-te hộp số
• 4.4. Tính toán số răng của các bánh răng hộp số (hộp số 3 trục)
• 4.5. Kích thước trục hộp số
• 4.5.1. Đối với trục sơ cấp
• 4.5.2. Đối với trục thứ cấp
• 4.6. Đường kính vòng chia và mômen quán tính của bánh răng hộp số
• 4.7. Xác định các thông số cơ bản của đồng tốc hộp số
• 4.8. Chọn loại bộ đồng tốc hộp số
• 4.9. Mômen quán tính khối lượng tổng cộng quy dẫn về trục li hợp
• 4.9.1. Mômen quán tính J1
• 4.9.2. Mômen quán tính J2
• 4.9.3. Mômen quán tính quy dẫn của các bánh răng trên trục thứ cấp Jz3
• 4.10. Mômen ma sát yêu cầu của bộ đồng tốc
• 4.11. Bán kính ma sát của bộ đồng tốc
• 4.12. Chiều rộng bề mặt vành ma sát của bộ đồng tốc
• 4.13. Góc nghiêng của bề mặt hãm 
• 4.14. Tính toán kiểm tra các thông số cơ bản của đồng tốc
• 4.15. Mômen ma sát thực tế của đồng tốc
• 4.16. Thời gian chuyển số thực tế của đồng tốc
• 4.17. Công trượt của đôi bề mặt côn ma sát của đồng tốc
• 4.18. Công trượt riêng của đôi bề mặt côn ma sát của đồng tốc
• 5. MÔ TẢ CHI TIẾT KẾT CẤU HỘP SỐ THIẾT KẾ
• 5.1. Loại hộp số thiết kế và các thông số sau khi thiết kế:
• 5.2. Bánh răng và trục hộp số:
• 5.3. Bộ đồng tốc:
• 5.4. Cơ cấu điều khiển:
• 5.5. Định vị và khóa hãm:
• 5.6. Cơ cấu tránh gài ngẫu nhiên số lùi:
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết kế hộp số xe con và vai trò cốt lõi

Hộp số là một bộ phận trung tâm trong hệ thống truyền lực của ô tô, đóng vai trò then chốt trong việc thay đổi mô-men xoắn và tốc độ từ động cơ đến bánh xe. Việc thiết kế hộp số xe con hiệu quả là yếu tố quyết định đến khả năng vận hành, tính kinh tế nhiên liệu và trải nghiệm lái. Chức năng chính của hộp số là điều chỉnh tỷ số truyền, cho phép động cơ hoạt động ở dải vòng tua tối ưu trong các điều kiện tải và tốc độ khác nhau. Ngoài ra, hộp số còn có nhiệm vụ tách động cơ khỏi hệ thống truyền lực khi dừng xe (số trung gian), và cung cấp số lùi để thay đổi chiều chuyển động. Một thiết kế hộp số lý tưởng phải đáp ứng nhiều yêu cầu khắt khe: có dải tỷ số truyền phù hợp, hoạt động êm dịu, chuyển số nhẹ nhàng, hiệu suất truyền lực cao, kết cấu nhỏ gọn và độ bền tin cậy. Trong ngành công nghiệp ô tô hiện đại, việc tối ưu hóa các yếu tố này trở thành một bài toán phức tạp, đòi hỏi kiến thức sâu rộng về cơ khí, động lực học và vật liệu. Các loại hộp số phổ biến hiện nay bao gồm hộp số sàn (điều khiển bằng tay), hộp số tự động và bán tự động, mỗi loại có những ưu nhược điểm riêng. Tài liệu gốc tập trung vào thiết kế hộp số cơ khí có cấp, đặc biệt là loại 3 trục, vốn được sử dụng rộng rãi trên xe du lịch nhờ hiệu suất cao ở số truyền thẳng và khả năng tạo ra các tỷ số truyền lớn trong một kích thước nhỏ gọn. Việc hiểu rõ nguyên lý, công dụng và các yêu cầu kỹ thuật là bước nền tảng đầu tiên trong quy trình thiết kế hộp số xe con chuyên nghiệp.

1.1. Công dụng và các yêu cầu kỹ thuật đối với hộp số ô tô

Công dụng cốt lõi của hộp số là biến đổi mô-men xoắn và tốc độ quay từ động cơ để phù hợp với sức cản chuyển động của xe. Động cơ đốt trong chỉ hoạt động hiệu quả trong một dải vòng quay hẹp, do đó hộp số cần cung cấp các tỷ số truyền khác nhau để duy trì hiệu suất này. Các yêu cầu kỹ thuật chính bao gồm: có đủ số cấp số và dải tỷ số truyền hợp lý để đảm bảo tính năng động lực học và tiết kiệm nhiên liệu; quá trình chuyển số phải mượt mà, không gây va đập; hiệu suất truyền lực phải đạt mức cao (thường trên 95%); kết cấu phải đơn giản, bền vững, kích thước nhỏ gọn và chi phí sản xuất hợp lý. Thêm vào đó, hộp số phải có vị trí trung gian (số '0') để ngắt kết nối động cơ khỏi hệ thống truyền lực một cách an toàn.

1.2. Phân loại các hệ thống hộp số phổ biến hiện nay

Hộp số ô tô được phân loại dựa trên nhiều tiêu chí. Theo phương pháp điều khiển, có hộp số điều khiển bằng tay (hộp số sàn), hộp số tự động và bán tự động. Theo sơ đồ động, có hộp số với các trục cố định (như hộp số 2 trục và hộp số 3 trục) và hộp số hành tinh. Hộp số 3 trục, với trục sơ cấp và thứ cấp đồng tâm, là loại phổ biến nhất trên xe con nhờ ưu điểm có số truyền thẳng giúp giảm tải cho các chi tiết, giảm tiếng ồn và tăng hiệu suất. Ngược lại, hộp số 2 trục thường được dùng trên các xe có động cơ đặt gần cầu chủ động do kết cấu đơn giản hơn. Tài liệu gốc tập trung phân tích và thiết kế hộp số 3 trục 5 cấp, một lựa chọn tối ưu cho xe du lịch hiện đại.

II. Thách thức kỹ thuật trong thiết kế hộp số tối ưu hiệu suất

Quá trình thiết kế hộp số xe con phải đối mặt với nhiều thách thức kỹ thuật phức tạp, đòi hỏi sự cân bằng tinh tế giữa các yếu tố đối nghịch. Thách thức lớn nhất là việc tối ưu hóa đồng thời hiệu suất động lực học và tính kinh tế nhiên liệu. Việc lựa chọn một dải tỷ số truyền rộng giúp xe vượt qua các sức cản lớn và tăng tốc tốt, nhưng có thể làm giảm hiệu suất ở các dải tốc độ cao. Ngược lại, một dải tỷ số truyền hẹp hơn có thể tiết kiệm nhiên liệu nhưng lại hạn chế khả năng vận hành linh hoạt. Một vấn đề quan trọng khác là tiếng ồn, độ rung và độ bền (NVH - Noise, Vibration, and Harshness). Các cặp bánh răng nghiêng thường được sử dụng để giảm tiếng ồn và tăng khả năng chịu tải, nhưng chúng lại tạo ra lực dọc trục, đòi hỏi hệ thống ổ đỡ phải được tính toán cẩn thận. Bên cạnh đó, xu hướng xe hơi ngày càng nhỏ gọn đặt ra yêu cầu về việc thu nhỏ kích thước hộp số mà không làm ảnh hưởng đến độ bền và khả năng truyền tải mô-men. Việc lựa chọn vật liệu và phương pháp nhiệt luyện cho bánh răng và trục cũng là một thách thức, cần đảm bảo bề mặt cứng để chống mài mòn và lõi dẻo dai để chịu tải trọng va đập. Quá trình thiết kế hộp số còn phải tính đến cơ cấu điều khiển, bộ đồng tốc, và các cơ cấu an toàn như khóa hãm để ngăn ngừa gài hai số cùng lúc, đảm bảo vận hành tin cậy.

2.1. Cân bằng giữa tỷ số truyền và hiệu suất nhiên liệu

Việc xác định dãy tỷ số truyền là bài toán cốt lõi. Theo tài liệu, tỷ số truyền của số thấp nhất (ih1) phải đủ lớn để thắng sức cản lăn và leo dốc tối đa, nhưng không được vượt quá giới hạn bám của lốp xe. Các tỷ số truyền trung gian cần được phân bổ theo một quy luật hợp lý, thường là cấp số nhân hoặc cấp số điều hòa, để đảm bảo công suất động cơ được tận dụng tối đa khi sang số. Một sự phân bổ không hợp lý sẽ gây ra hiện tượng "hụt hơi" giữa các cấp số hoặc khiến động cơ hoạt động ngoài dải vòng tua hiệu quả, dẫn đến lãng phí nhiên liệu. Do đó, việc cân bằng các yếu tố này đòi hỏi phải phân tích kỹ lưỡng đặc tính của động cơ và điều kiện vận hành dự kiến của xe.

2.2. Vấn đề về tiếng ồn độ bền và kích thước nhỏ gọn

Tiếng ồn trong hộp số chủ yếu phát sinh từ sự ăn khớp của các cặp bánh răng. Sử dụng bánh răng nghiêng giúp giảm tiếng ồn do có hệ số trùng khớp lớn hơn và quá trình vào khớp êm dịu hơn so với bánh răng thẳng. Tuy nhiên, như đã đề cập, chúng tạo ra lực dọc trục. Thách thức ở đây là thiết kế góc nghiêng và chiều nghiêng của răng sao cho các lực dọc trục trên cùng một trục có thể triệt tiêu lẫn nhau. Về độ bền, các chi tiết như bánh răng và trục phải chịu được mô-men xoắn lớn, đặc biệt ở các số thấp. Vật liệu chế tạo thường là thép hợp kim được nhiệt luyện (xê-men-tít hóa hoặc xianua hóa) để đạt độ cứng bề mặt cao (52-63 HRC) và độ dẻo dai ở lõi. Việc tối ưu hóa kích thước đòi hỏi phải tính toán chính xác khoảng cách trục và mô-đun bánh răng để hộp số vừa nhỏ gọn vừa đảm bảo khả năng chịu tải.

III. Hướng dẫn tính toán các thông số hộp số cơ bản ban đầu

Giai đoạn đầu tiên và quan trọng nhất trong quy trình thiết kế hộp số xe con là xác định các thông số cơ bản. Quá trình này bắt đầu bằng việc tính toán tỷ số truyền của cấp số thấp nhất (ih1). Theo tài liệu gốc, giá trị này được xác định dựa trên ba điều kiện chính: khả năng thắng sức cản lớn nhất của đường (ψmax), khả năng tạo lực kéo tối đa theo điều kiện bám, và khả năng duy trì tốc độ ổn định tối thiểu. Công thức tính theo điều kiện kéo được nêu rõ: ih1 ≥ (ψmax * Ga * rbx) / (Memax * ηt * i0). Từ tỷ số truyền thấp nhất, số cấp của hộp số được xác định dựa trên công bội (q) của dãy tỷ số truyền. Đối với xe du lịch, số cấp thường từ 4 đến 6 cấp để đảm bảo tính năng động lực và kinh tế. Sau khi có số cấp, các tỷ số truyền trung gian được tính toán, thường theo quy luật cấp số điều hòa để tối ưu hóa việc sử dụng công suất động cơ, đặc biệt ở các số cao. Việc lựa chọn sơ đồ động học cũng là một quyết định quan trọng. Như đã phân tích, hộp số 3 trục với trục sơ cấp và thứ cấp đồng tâm là phương án ưu việt cho xe du lịch, cho phép tạo ra số truyền thẳng (tỷ số truyền bằng 1) với hiệu suất rất cao. Toàn bộ các bước tính toán này tạo ra một bộ thông số nền tảng, định hướng cho toàn bộ quá trình thiết kế hộp số chi tiết sau này.

3.1. Phương pháp xác định tỷ số truyền cho các cấp số

Việc xác định tỷ số truyền bắt đầu từ cấp số 1 (ih1). Giá trị này phải nằm trong khoảng giới hạn bởi điều kiện kéo và điều kiện bám. Cụ thể, 3,706 ≤ ih1 ≤ 4,650 được tính toán trong tài liệu. Sau khi chọn một giá trị ih1 tối ưu (ví dụ: ih1 = 4), số cấp của hộp số được tính theo công thức n = log(ih1)/log(q) + 1, trong đó q là công bội. Với q=1.5, số cấp tính được là 4.42 và được làm tròn thành 5 cấp. Các tỷ số truyền trung gian (ih2, ih3, ih4) sau đó được tính toán theo dãy cấp số điều hòa để đảm bảo quá trình chuyển số mượt mà và tận dụng tốt công suất. Cuối cùng, tỷ số truyền số lùi thường được chọn lớn hơn một chút so với số 1, ví dụ ihl = 1.2 * ih1.

3.2. Lựa chọn sơ đồ động học và số cấp hộp số phù hợp

Đối với xe du lịch, sơ đồ động học hộp số 3 trục là lựa chọn phổ biến nhất. Sơ đồ này bao gồm một trục sơ cấp (nối với ly hợp), một trục trung gian và một trục thứ cấp (nối với trục các-đăng). Ưu điểm chính là khả năng tạo số truyền thẳng khi nối trực tiếp trục sơ cấp và trục thứ cấp, giúp giảm thiểu tổn thất công suất. Tài liệu thiết kế đề xuất một sơ đồ 5 cấp số tiến và 1 số lùi. Trong đó, các cấp số cao (2, 3, 4, 5) sử dụng bánh răng nghiêng và bộ đồng tốc để đảm bảo việc chuyển số diễn ra êm dịu và nhanh chóng. Số 1 và số lùi có thể dùng bánh răng thẳng và gài bằng ống gài trượt để đơn giản hóa kết cấu.

IV. Bí quyết thiết kế bánh răng và trục hộp số xe con chi tiết

Sau khi có các thông số ban đầu, giai đoạn thiết kế hộp số xe con chi tiết tập trung vào các thành phần cơ khí cốt lõi: bánh răng và trục. Việc tính toán khoảng cách trục (A) là bước đi đầu tiên, quyết định kích thước tổng thể của vỏ hộp số. Khoảng cách trục được xác định sơ bộ qua công thức kinh nghiệm A ≈ Ka * ³√(Memax * ih1). Từ đó, các kích thước cơ bản như chiều rộng bánh răng (b) và bề rộng ổ đỡ (B) được ước tính. Tiếp theo là quá trình tính toán số răng cho từng cặp bánh răng. Dựa trên tỷ số truyền của từng cấp số và khoảng cách trục đã có, số răng của bánh răng chủ động (Zk) và bị động (Z'k) được xác định để đảm bảo ăn khớp đúng và truyền tải chính xác. Mô-đun (m) và góc nghiêng (β) của răng cũng là các thông số quan trọng cần lựa chọn. Xe du lịch thường dùng mô-đun nhỏ (m = 2.25 ÷ 3) và góc nghiêng lớn (β = 22° ÷ 34°) để tăng độ êm dịu. Cuối cùng, việc thiết kế trục hộp số bao gồm trục sơ cấp, trục trung gian và trục thứ cấp. Đường kính các trục được tính toán sơ bộ để chịu được mô-men xoắn cực đại, đảm bảo độ cứng vững và tránh biến dạng khi làm việc dưới tải trọng cao.

4.1. Quy trình tính toán khoảng cách trục và kích thước bánh răng

Quy trình bắt đầu với việc tính khoảng cách trục A. Ví dụ trong tài liệu, với Ka=9.3, Memax=152 Nm và ih1=4, khoảng cách trục sơ bộ được tính là 80 mm. Dựa trên A, chiều rộng bánh răng được chọn là 16 mm. Tiếp theo, tỷ số truyền của cặp bánh răng luôn ăn khớp (ia) và các cặp bánh răng gài số (igk) được phân chia từ tỷ số truyền tổng của mỗi cấp. Số răng của từng bánh răng (Zk, Z'k) được tính toán theo công thức Zk = 2A * cos(βk) / (mk * (1 + igk)). Sau khi tính toán và làm tròn số răng, khoảng cách trục A và góc nghiêng β được tính toán lại một cách chính xác để đảm bảo ăn khớp hình học hoàn hảo.

4.2. Nguyên tắc thiết kế trục sơ cấp thứ cấp và trục trung gian

Việc thiết kế các trục phải đảm bảo độ bền và độ cứng vững. Đường kính trục sơ cấp (d1) được tính sơ bộ dựa trên mô-men cực đại của động cơ. Trục trung gian (d2) chịu mô-men lớn hơn (Mmax_tg = Memax * ia), do đó đường kính cũng lớn hơn. Trục thứ cấp (d3) có đường kính được xác định theo mối quan hệ với khoảng cách trục (d3 ≈ 0.45 * A). Các trục thường được chế tạo liền khối với một số bánh răng để tăng độ cứng vững. Gối đỡ của các trục, thường là ổ bi, phải được định vị chính xác để chịu cả lực hướng tâm và lực dọc trục (sinh ra từ bánh răng nghiêng). Vật liệu chế tạo trục cũng là thép hợp kim chất lượng cao, qua quá trình nhiệt luyện để đáp ứng yêu cầu làm việc khắc nghiệt.

V. Phân tích thiết kế bộ đồng tốc cho hộp số chuyển số êm ái

Để quá trình chuyển số diễn ra nhanh chóng và êm dịu, đặc biệt là trên xe du lịch, thiết kế hộp số xe con hiện đại không thể thiếu bộ đồng tốc. Nhiệm vụ của bộ đồng tốc là làm đồng đều tốc độ góc giữa bánh răng sắp được gài (đang quay trơn trên trục) và ống gài (đang quay cùng tốc độ với trục) trước khi chúng vào khớp răng. Điều này giúp loại bỏ hoàn toàn sự va đập giữa các vấu răng, bảo vệ các chi tiết và mang lại trải nghiệm lái mượt mà. Tài liệu gốc phân tích hai loại đồng tốc chính: bộ đồng tốc loại I (loại chốt hãm) và bộ đồng tốc loại II (loại răng hãm). Đối với xe du lịch, do kích thước bánh răng nhỏ và tải trọng không quá lớn, bộ đồng tốc loại II thường được ưu tiên sử dụng. Quá trình thiết kế bộ đồng tốc yêu cầu tính toán các thông số quan trọng như mômen quán tính của các chi tiết quay, mô-men ma sát yêu cầu để hãm và đồng tốc, bán kính ma sát, và góc nghiêng của bề mặt côn ma sát. Một thiết kế bộ đồng tốc hiệu quả phải đảm bảo thời gian chuyển số ngắn, lực tác động lên cần số nhẹ và độ bền cao trong suốt vòng đời của hộp số. Việc lựa chọn loại đồng tốc và tính toán chính xác các thông số của nó là yếu tố quyết định đến chất lượng của toàn bộ hệ thống hộp số.

5.1. Lựa chọn và tính toán các thông số cơ bản của bộ đồng tốc

Việc lựa chọn loại đồng tốc phụ thuộc vào không gian và tải trọng. Tài liệu đề xuất chọn bộ đồng tốc loại IIb (kiểu thanh trượt định vị) cho xe du lịch. Quá trình tính toán bắt đầu bằng việc xác định mômen quán tính tổng cộng quy dẫn về trục ly hợp (JΣ), bao gồm mômen quán tính của trục sơ cấp (J1), trục trung gian (J2) và các bánh răng quay trơn trên trục thứ cấp (Jzk). Từ đó, mô-men ma sát yêu cầu (Mms) để đồng bộ hóa tốc độ trong một khoảng thời gian nhất định được tính toán. Các thông số hình học như bán kính ma sát trung bình (rms), chiều rộng vành ma sát, và góc côn ma sát (α) được thiết kế để tạo ra mô-men ma sát thực tế lớn hơn mô-men ma sát yêu cầu, đảm bảo quá trình đồng tốc diễn ra hiệu quả.

5.2. So sánh ưu nhược điểm của bộ đồng tốc loại I và loại II

Bộ đồng tốc loại I (loại chốt hãm) có kết cấu vững chắc và tin cậy, thường được sử dụng trên xe tải và xe khách cỡ lớn. Nó sử dụng các chốt hãm để tạo ra lực hãm, chống gài số khi chưa đồng tốc. Ưu điểm là độ bền cao. Nhược điểm là kết cấu phức tạp và chiếm nhiều không gian hơn. Bộ đồng tốc loại II (loại răng hãm) sử dụng chính bề mặt nghiêng của các răng hãm để chống gài số. Ưu điểm của loại này là kết cấu nhỏ gọn, phù hợp với không gian hạn chế trong hộp số xe du lịch. Nhược điểm là khả năng chịu tải có thể không cao bằng loại I. Việc lựa chọn giữa hai loại này là một sự đánh đổi giữa độ bền, kích thước và chi phí trong quá trình thiết kế hộp số.

VI. Xu hướng tương lai trong công nghệ thiết kế hộp số xe con

Công nghệ thiết kế hộp số xe con đang không ngừng phát triển để đáp ứng các tiêu chuẩn ngày càng cao về hiệu suất, khí thải và trải nghiệm người dùng. Một trong những xu hướng chính là tăng số lượng cấp số, từ 6, 7 cấp lên đến 9, 10 cấp. Việc có nhiều cấp số hơn cho phép động cơ luôn hoạt động ở dải vòng tua tối ưu nhất, giúp cải thiện đáng kể hiệu quả nhiên liệu và giảm phát thải. Đồng thời, việc tối ưu hóa vật liệu và quy trình sản xuất cũng là một lĩnh vực được chú trọng. Các vật liệu mới nhẹ hơn và bền hơn như hợp kim nhôm cho vỏ hộp số, cùng với các công nghệ nhiệt luyện và gia công chính xác cao cho bánh răng, giúp giảm trọng lượng tổng thể và tăng tuổi thọ của hộp số. Một xu hướng quan trọng khác là sự tích hợp sâu hơn của hệ thống điều khiển điện tử. Các hộp số tự động hiện đại sử dụng các thuật toán phức tạp để điều khiển việc chuyển số một cách thông minh, dựa trên điều kiện lái, thói quen của người lái và dữ liệu từ các cảm biến trên xe. Tương lai của thiết kế hộp số sẽ hướng tới các hệ thống truyền động thông minh hơn, nhỏ gọn hơn và hiệu quả hơn, đóng vai trò là một phần không thể thiếu trong các hệ truyền động hybrid và điện hóa, mở ra một kỷ nguyên mới cho ngành công nghiệp ô tô.

6.1. Tối ưu hóa vật liệu và quy trình chế tạo bánh răng

Tương lai của thiết kế hộp số phụ thuộc nhiều vào công nghệ vật liệu. Các nhà nghiên cứu đang tìm kiếm các loại thép hợp kim mới có độ bền cao hơn, cho phép thiết kế bánh răng nhỏ hơn nhưng vẫn đảm bảo khả năng chịu tải. Các quy trình nhiệt luyện tiên tiến như thấm carbon chân không và tôi áp suất cao giúp kiểm soát biến dạng và tăng độ cứng bề mặt một cách đồng đều. Bên cạnh đó, việc áp dụng các lớp phủ bề mặt chống mài mòn (như DLC - Diamond-Like Carbon) cũng giúp giảm ma sát và tăng hiệu suất truyền lực của các cặp bánh răng, góp phần vào việc tiết kiệm nhiên liệu.

6.2. Tích hợp điều khiển điện tử và các hệ thống truyền động mới

Sự phát triển của công nghệ điện tử đang thay đổi bộ mặt của hệ thống truyền lực. Hộp số không còn là một cơ cấu thuần cơ khí mà trở thành một hệ thống cơ-điện tử. Bộ điều khiển hộp số (TCU) có khả năng giao tiếp với bộ điều khiển động cơ (ECU) và các hệ thống an toàn khác (ABS, ESP) để đưa ra quyết định chuyển số tối ưu. Trong các hệ truyền động hybrid, hộp số còn có nhiệm vụ kết hợp và điều phối luồng công suất từ động cơ đốt trong và động cơ điện một cách liền mạch. Xu hướng này đòi hỏi các kỹ sư thiết kế hộp số phải có kiến thức liên ngành về cả cơ khí và điện tử điều khiển.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ HỘP SỐ Ô TÔ 1. Công dụng và yêu cầu của hộp số: 1. Công dụng: Hộp số dùng để thay đổi số vòng quay và mô men của động cơ truyền đến các bánh xe chủ động (cả về trị số và hướng), cho phù hợp với điều kiện làm việc luôn luôn thay đổi của ô tô máy kéo, mà tự bản than động cơ không thể đáp ứng được, do: - Hệ số thích ứng mô men thấp (Km=1,05 ÷ 1,25) - Số vòng quay ổn định tương đối cao (nemin=350 ÷ 400 v/ph) - Chiều quay không được tự thay đổi được.

Ngoài ra, hộp số còn dùng để: - Tách lâu dài động cơ khỏi hệ thống truyền lực khi cần thiết, như khi khởi động động cơ, khi dừng xe cho xe chạy không tải, khi cho xe chạy theo quán tính… - Dẫn động các bộ phận công tác trên các xe chuyên dùng, như xe có tời kéo, xe kéo, xe tự đổi, cần cẩu… và các thiết bị khác. Yêu cầu: - Có tỷ số truyền và số lượng tay số thích hợp, đảm bào được chất lượng động lực và tính kinh tế nhiên liệu cần thiết cho ô tô máy kéo; - Làm việc êm dịu, chuyển số nhẹ nhàng thuận tiện, không va đập; - Có vị trí trung gian (Số “O” ) để có thể cắt lâu dài động cơ khỏi hệ thống truyền lực. - Kết cấu đơn giản, làm việc tin cậy, bền vững - Hiệu suất cao, kích thước khối lượng nhỏ, giá thành rẻ. -2- Thiết kế hộp số xe con 1.

Phân loại hộp số: - Theo phương pháp điều khiển chia ra các loại: Điều khiển bằng tay, điều khiển tự động và bán tự động. - Theo số cấp ( Chỉ tính số tiến) Phân ra các loại: 3,4,5 và nhiều cấp - Theo sơ động, phân ra: Hộp số với các trục cố định (2,3 hay nhiều trục) và hộp số hành tinh (1 dãy, 2 dãy,. - Theo số lượng phân tử điều khiển cần thiết để gài một số truyền, phân ra: một, hai hay ba phần tử điều khiển. Số lượng phần tử điều khiển lớn hơn một thường dùng trong hộp số nhiều cấp.

- Theo số lượng dòng lực, phân ra: một, hai hay ba dòng. Tăng số lượng dòng lực làm phức tạp kết cấu. Tuy vậy cho phép giảm tải trọng tác dụng lên các bánh răng, trục và ổ trục cũng như kích thước của chúng. Loại và sơ đồ động hộp số: Trên ô tô máy kéo hiện nay, sử dụng chủ yếu các loại hộp số có trục cố định, điều khiển bằng tay.

Vì chúng có kết cấu đơn giản, hiệu suất cao (0,96 ÷ 0,98), giá thành rẻ, kích thước và trọng lượng nhỏ. Trong các loại hộp số trên, hộp số ba trục cố định, có trục sơ và thứ cấp đồng tâm được sử dụng phổ biến nhất. Hộp số hai trục cố định thường chỉ sử dụng trên các ô tô du lịch, thể thao hoặc máy kéo. Số cấp các hộp số đơn thường không vượt quá sáu.

Hộp số có số cấp lớn hơn sáu, gọi là hộp số nhiều cấp. Hộp số nhiều cấp thực chất là hộp số ghép, được kết hợp từ hai hoặc nhiều hộp số đơn ít cấp. Hộp số ba trục: 1. Ưu điểm: - Có khả năng tạo số truyền thẳng bằng cách nối trực tiếp các trục sơ và thứ cấp.

-3- Thiết kế hộp số xe con Khi làm việc ở số truyền thẳng, các bánh răng, ổ trục và trục trung gian hầu như được giảm tải hoàn toàn nên giảm được mài mòn, tiếng ồn và mất mát công suất. - Ở các số truyền khác, mô men truyền qua hai cặp bánh răng, do đó có thể tạo được tỷ số truyền lớn (7 ÷ 9) với kích thước khá nhỏ gọn. Nhờ đó giảm được trọng lượng toàn bộ của ô tô máy kéo. Nhược điểm: - Hiệu suất giảm ở các tay số trung gian.

- Ổ bi gối đỡ trước trục thứ cấp, do bố trí trong lỗ ở phần bánh răng công xôn của trục sơ cấp, nên làm việc căng thẳng vì kích thước bị hạn chế bởi điều kiện kết cấu. Sơ đồ động: - Sơ đồ động của các hộp số ba trục có số cấp như nhau, khác nhau chủ yếu ở số lượng các cặp bánh răng luôn luôn ăn khớp và cách bố trí số lùi. - Ở hầu hết các tay số đều sử dụng cặp bánh răng nghiêng thường xuyên ăn khớp. Để gài số, có thể dùng ống gài hoặc đồng tốc.

Riêng đối với các bánh răng số 1 và số lùi có thể có các phương án bố trí sau:  Bánh răng số 1 và số lùi luôn luôn ăn khớp thường thì sử dụng trong trường hợp thời gian làm việc ở số 1 và số lùi khá lớn. Ưu điểm: mặt đầu của vành răng không bị mài mòn, hành trình của nạng chuyển số nhỏ. Nhược điểm: Cần đặt tự do trên trục thứ cấp một bánh răng số kích thước khá lớn, do đó làm tăng số lượng các bánh răng và mô men quán tính của các chi tiết quay, bởi vậy tăng tải trọng lên các đồng tốc.  Bánh răng số lùi không luôn luôn ăn khớp.

 Cả bánh răng số lùi và số 1 đều không luôn luôn ăn khớp Hai phương án sau không cần có bánh răng số lùi đặt riêng trên trục thứ cấp. Để gài số lùi và số 1 dùng bánh răng di trượt. -4- Thiết kế hộp số xe con Bánh răng trung gian (đặt trên trục số lùi) có thể làm một hay hai vành răng. Phương án một vành răng có kết cấu đơn giản hơn, tuy vậy điều kiện làm việc của vành răng không có lợi: chịu ứng suất uốn thay đổi theo chu trình đối xứng.

Phương án hai điều kiện ứng suất thuận lợi hơn: thay đổi theo chu trình mạch động, cho phép thực hiện số lùi với tỷ số truyền lớn hơn. - Để đảm bảo độ cứng vững, giữa hai gối đỡ trên trục không bố trí quá 6 cặp bánh răng. - Bánh răng các tay số thấp (như số 1 và số lùi) chịu lực lớn, thời gian làm việc ít hơn - bố trí sát gối đỡ sau. Bánh răng các tay số cao thời gian làm việc nhiều, bố trí ở khoảng giữa trục, là vùng có góc xoay nhỏ nhất, nhờ đó điều kiện ăn khớp của bánh răng tốt hơn nên giảm tiếng ồn và mài mòn.

- Đó với hộp số 3 trục của ô tô du lịch, một số trường hợp, trục thứ cấp có thể là dài hơn, với 3 gối đỡ để rút ngắn chiều trục các đăng. - Ở một số hộp số, cặp bánh răng số lùi hoặc số truyền tăng có thể đưa ra phía sau thành cạc te để tăng độ cứng vững và giảm kích thước phần chính của hộp số hoặc tạo điề kiện thống nhất hóa các chi tiết của hộp số 5 và 6 cấp. - Để tăng độ cứng vững cũng có thể tăng số lượng các gối đỡ và dùng hộp số nhiều ngăn. - Hầu hết các tay số đều dùng bánh răng nghiêng và đồng tốc.

Các tay số một và số lùi có thể có răng thẳng gài bằng phương pháp di trượt. - Các ống gài và đồng tốc đặt trên trục thứ cấp. - Trong một số kết cấu có thể sử dụng hai hay ba trục trung gian để phân dòng công suất, các sơ đồ này làm tăng mức độ phức tạp, tăng số lượng các chi tiết của hộp số. -5- Thiết kế hộp số xe con Hình 1.1 - Sơ đồ động học hộp số 3 trục, 4 cấp lắp trên xe du lịch GAZ-24.

I-Trục sơ cấp ; II-Trục trung gian ; III-Trục thứ cấp ; IV-Trục số ; A,B-Bộ đồng tốc ; Sl-Vị trí gài số lùi ; 1,2,3,4-Vị trí gài cấp số 1, cấp số 2 , cấp số 3, cấp số 4 của hộp số. Hộp số hai trục: 1. Ưu điểm: - Kết cấu đơn giản, làm việc êm dịu và có hiệu suất cao ở các tay số trung gian. - Dễ bố trí và đơn giản được kết cấu hệ thống truyền lực khi xe đặt động cơ gần cầu chủ động.

Nhược điểm: - Không có số truyền thẳng, vì thế các bánh răng, ổ trục không được giảm tải ở số truyền cao - làm tăng mài mòn và tiếng ồn. - Giá trị tỷ số truyền tay số thấp nhất bị hạn chế ( ih1 < 4÷ 4,5) ( Muốn khắc phục phải giảm tỷ số truyền của tay số cao nhất và tăng io). Với đặc điểm đó nó thường được sử dụng trên các ô tô du lịch và thể thao có động cơ bố trị cạnh cầu chủ động hoặc trên máy kéo có hộp số bố trí chung trong cùng một vỏ với truyền lực chính. -6- Thiết kế hộp số xe con 1.

Sơ đồ động: - Trục thứ cấp hộp số thường được chế tạo liền với bánh răng côn hay hypôit của truyền lực chính ( khi động cơ đặt dọc) hoặc bánh răng trụ ( khi động cơ đặt ngang) tạo điều kiện đơn giản và dễ bố trí. - Các phương án bố trí số lùi, số tiến và đồng tốc của hộp số này như trên hình 1. Đồng tốc của số 1,2 thường đặt trên trục bị động vì khó đặt trên trục chủ động do đường kính bánh răng số 1 nhỏ. Đồng tốc các số cao đôi khi đặt trên trục chủ động để giảm mô men quán tính quy dẫn.

- Một số trường hợp, đồng tốc được đặt trên cả trục chủ động lẫn bị động để rút ngắn chiều dài hộp số.2 - Sơ đồ hộp số 2 trục 4 cấp trên xe Hillman Imperial. I-Trục sơ cấp của hộp số; II-Trục thứ cấp của hộp số; 1-Cấp số 1 của hộp số; 2-Cấp số 2 của hộp số; 3 - Cấp số 3 của hộp số; 4 -Cấp số 4 của hộp số; L-Số lùi của hộp số. Hộp số nhiều cấp: Hộp số nhiều cấp được tạo thành bằng cách ghép thêm vào phía trước hoặc phía sau hộp số cơ sở (hộp số chính - loại ba trục) một hộp giảm tốc gọi là hộp số phụ. Hộp số phụ thường có một số truyền thẳng và một số truyền giảm hay tăng.

-7- Thiết kế hộp số xe con Hộp số phụ đặt phía trước là hợp lý về kết cấu trong trường hợp : nó chỉ có một cặp bánh răng để tạo số thấp, còn số cao là số truyền thẳng – nối trực tiếp trục vào hộp số phụ vợi trụ sơ cấp của hộp số chính. Tỷ số truyền số thấp của hộp số phụ không lớn, có tác dụng là chia nhỏ dãy tỷ số truyền của hộp số chính, nên còn được gọi là hộp số chia. Hộp số chia có ưu điểm là: Kết cấu đơn giản, đảm bảo tính thống nhất hóa cao cho hộp số chính ( có thể dùng như một hộp số độc lập ), hiệu suất tương tự như hộp số chính khi cài số thấp ở hộp số phụ.