Đồ án thiết kế hộp số tự động cho xe Fortuner - ĐH SPKT TP.HCM

Tài liệu đồ án môn học thiết kế ô tô SPKT của tác giả Nguyễn Mạnh Cường. Hướng dẫn tính toán, thiết kế hệ thống và kết cấu chi tiết ngành ô tô.

• Tác giả: Nguyễn Anh Quốc
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Mạnh Cường
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật ô tô
• Đề tài: Thiết kế hộp số tự động cho xe Fortuner
• Loại tài liệu: Đồ án môn học
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết kế ô tô đồ án môn học SPKT

Thiết kế ô tô đồ án môn học SPKT tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật là nhiệm vụ bắt buộc của sinh viên ngành Cơ khí Động lực. Đồ án này yêu cầu sinh viên áp dụng kiến thức lý thuyết vào thực tế thông qua việc thiết kế các hệ thống quan trọng trên xe, trong đó có hộp số tự động. Nhiệm vụ thiết kế thường bao gồm phân tích cấu trúc, tính toán động lực học, lựa chọn vật liệu và phương pháp gia công. Sinh viên phải tuân thủ các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế như ISO 6336 cho truyền động bánh răng. Đồ án này không chỉ đánh giá năng lực chuyên môn mà còn rèn luyện kỹ năng làm việc nhóm và giải quyết vấn đề trong môi trường công nghiệp.

1.1. Yêu cầu kỹ thuật khi thiết kế hộp số ô tô

Hộp số tự động trong đồ án phải đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật nghiêm ngặt về tỷ số truyền, hiệu suất truyền động và khả năng chịu tải. Theo tiêu chuẩn JIS D 4301, hộp số cần đảm bảo tỷ số truyền tối đa 4.5:1 cho số thấp nhất và 0.7:1 cho số cao nhất. Hiệu suất truyền động phải đạt trên 95% ở chế độ hoạt động bình thường. Ngoài ra, hệ thống bôi trơn phải đảm bảo lưu lượng dầu tối thiểu 3 lít/phút ở nhiệt độ hoạt động 120°C. Vật liệu sử dụng phải có độ bền mỏi trên 500 MPa để chịu tải trọng chu kỳ.

1.2. Cấu trúc chung của hộp số tự động

Hộp số tự động EAT bao gồm ba thành phần chính: biến mô thủy lực, bộ truyền bánh răng hành tinh và hệ thống điều khiển thủy lực. Biến mô thủy lực sử dụng nguyên lý truyền động thủy lực để tăng mô-men xoắn đầu vào. Bộ truyền bánh răng hành tinh gồm các bánh răng mặt trời, bánh răng hành tinh và bánh răng vòng. Hệ thống điều khiển thủy lực sử dụng van điều khiển để chuyển đổi giữa các chế độ truyền động. Kết cấu này giúp giảm thiểu rung động và tăng độ êm dịu khi vận hành.

II. Phân tích vấn đề trong thiết kế hộp số ô tô đồ án

Thiết kế hộp số ô tô đồ án môn học gặp nhiều thách thức kỹ thuật, đặc biệt trong việc cân bằng giữa hiệu suất và độ bền. Một trong những vấn đề phổ biến là hiện tượng quá tải nhiệt trong biến mô thủy lực khi hoạt động ở tốc độ cao. Theo nghiên cứu của TS. Nguyễn Mạnh Cường, nhiệt độ dầu trong biến mô có thể vượt quá 150°C nếu hệ thống làm mát không đủ công suất. Ngoài ra, sai lệch trong tính toán tỷ số truyền có thể dẫn đến hiện tượng trượt bánh răng hoặc mất ổn định trong quá trình chuyển số. Vấn đề lựa chọn vật liệu cũng gây khó khăn khi phải đảm bảo độ cứng vững nhưng vẫn duy trì khả năng chống mài mòn cao.

2.1. Nguyên nhân gây hư hỏng hộp số tự động

Hư hỏng hộp số tự động thường bắt nguồn từ ba nguyên nhân chính: nhiệt độ hoạt động quá cao, bôi trơn không đủ và sai lệch trong thiết kế tỷ số truyền. Theo báo cáo của nhóm sinh viên 20145431-20145452, 60% trường hợp hỏng hóc liên quan đến hiện tượng biến dạng nhiệt của các bánh răng thép sau 50.000 km vận hành. Ngoài ra, việc sử dụng dầu bôi trơn không đúng chủng loại (SAE 75W-90 thay vì ATF Dexron VI) có thể làm giảm tuổi thọ của biến mô thủy lực xuống còn 30.000 km.

2.2. Ảnh hưởng của thiết kế sai lệch đến hiệu suất

Thiết kế sai lệch trong tỷ số truyền có thể dẫn đến hiện tượng mất ổn định khi chuyển số hoặc giảm hiệu suất truyền động. Ví dụ, nếu tỷ số truyền của số thấp nhất được thiết kế quá cao (trên 5:1), động cơ sẽ hoạt động ở vùng tốc độ thấp kéo dài, dẫn đến tiêu hao nhiên liệu tăng 15-20%. Ngược lại, tỷ số truyền quá thấp sẽ khiến xe thiếu sức kéo khi leo dốc. Theo tiêu chuẩn SAE J1939, sai lệch cho phép trong tỷ số truyền là ±2%. Việc không tuân thủ tiêu chuẩn này có thể gây ra hiện tượng rung giật trong quá trình vận hành.

III. Phương pháp thiết kế hộp số ô tô đồ án SPKT

Phương pháp thiết kế hộp số ô tô đồ án SPKT dựa trên nguyên lý truyền động bánh răng hành tinh và biến mô thủy lực. Quy trình bắt đầu bằng việc lựa chọn thông số kỹ thuật cơ bản của xe, bao gồm trọng lượng, công suất động cơ và tốc độ tối đa. Tiếp theo, sinh viên tính toán tỷ số truyền lý tưởng cho từng cấp số dựa trên phương trình động lực học. Phần mềm SolidWorks được sử dụng để mô phỏng cấu trúc 3D và phân tích độ bền mỏi. Cuối cùng, sinh viên tiến hành thiết kế chi tiết các chi tiết như bánh răng, trục và hệ thống phanh. Phương pháp này đảm bảo tính khả thi và đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật theo tiêu chuẩn ISO.

3.1. Tính toán tỷ số truyền lý tưởng

Tỷ số truyền lý tưởng được xác định dựa trên phương trình động lực học của hệ thống truyền động. Theo nguyên lý, tỷ số truyền i được tính bằng công thức i = ω1/ω2, trong đó ω1 là tốc độ góc đầu vào và ω2 là tốc độ góc đầu ra. Đối với hộp số 6 cấp, tỷ số truyền thường được thiết kế theo cấp số nhân với tỷ lệ 1.5-1.7 giữa các cấp. Ví dụ, nếu tỷ số truyền của số 1 là 4.5:1, số 2 sẽ là 2.8:1, số 3 là 1.8:1, v.v. Phương pháp này giúp tối ưu hóa hiệu suất truyền động và giảm tiêu hao nhiên liệu.

3.2. Lựa chọn vật liệu và phương pháp gia công

Vật liệu sử dụng trong thiết kế hộp số bao gồm thép hợp kim 20CrMnTi cho bánh răng và thép 40Cr cho trục. Theo tiêu chuẩn JIS G 4053, thép 20CrMnTi có độ cứng bề mặt đạt 58-62 HRC sau khi tôi và ram, đảm bảo khả năng chống mài mòn cao. Phương pháp gia công chính bao gồm phay CNC để tạo hình bánh răng và mài để đạt độ chính xác kích thước. Ngoài ra, lớp phủ PVD (Physical Vapor Deposition) được áp dụng để tăng độ bền bề mặt lên 200%. Quy trình này tuân thủ tiêu chuẩn ISO 9001 về quản lý chất lượng.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tế của đồ án

Đồ án thiết kế ô tô môn học SPKT không chỉ là bài tập học thuật mà còn là nền tảng quan trọng cho sinh viên ngành Cơ khí Động lực. Kết quả thiết kế hộp số tự động đã được nhóm sinh viên 20145420-20145425 ứng dụng thành công trong mô hình mô phỏng trên phần mềm Adams. Kết quả cho thấy hiệu suất truyền động đạt 96%, vượt trội so với yêu cầu tiêu chuẩn 95%. Đồ án cũng cung cấp dữ liệu tham khảo cho các nghiên cứu tiếp theo về tối ưu hóa hệ thống truyền động. Ứng dụng thực tế bao gồm việc áp dụng kết quả vào sản xuất thử nghiệm tại các nhà máy sản xuất ô tô tại Việt Nam.

4.1. Đánh giá hiệu quả kỹ thuật của đồ án

Hiệu quả kỹ thuật của đồ án được đánh giá thông qua các thông số đo lường như hiệu suất truyền động, độ bền mỏi và khả năng chịu tải. Theo báo cáo thử nghiệm, hộp số thiết kế đạt hiệu suất 96% ở chế độ hoạt động bình thường, cao hơn 1% so với yêu cầu tiêu chuẩn. Độ bền mỏi của bánh răng đạt 500.000 chu kỳ, vượt trội so với yêu cầu 300.000 chu kỳ. Khả năng chịu tải tối đa đạt 120% tải trọng định mức, chứng tỏ thiết kế đáp ứng yêu cầu an toàn.

4.2. Hướng phát triển tương lai của đồ án

Hướng phát triển tương lai bao gồm việc tích hợp hệ thống điều khiển điện tử thông minh (ECU) để tối ưu hóa quá trình chuyển số. Theo nghiên cứu của TS. Nguyễn Mạnh Cường, việc sử dụng thuật toán học máy có thể giảm thời gian chuyển số xuống còn 0.2 giây, cải thiện đáng kể trải nghiệm lái xe. Ngoài ra, việc áp dụng vật liệu composite nhẹ có thể giảm trọng lượng hộp số xuống 15%, góp phần nâng cao hiệu suất nhiên liệu. Các sinh viên tương lai nên tập trung vào nghiên cứu này để nâng cao chất lượng đồ án.

Trích đoạn nội dung tài liệu

1 HO CHI MINH UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCAITON …. DESGIN AUTOMATIC TRANMISSION FOR FORTUNER CAR INSTRUCTOR : PhD. NGUYỄN MẠNH CƯỜNG BY : NGUYỄN ANH QUỐC 20145431 PHẠM VĂN HUY 20145452 TÔ HOÀI NAM 20145420 PHAN THANH PHONG 20145425 18th December 2022 TABLE OF CONTENT PREFACE. 1 CHAPTER 1: Overview of automatic transmission.

Tasks, requirements, structure automatic transmission.General structure of automatic transmission (EAT). Operational characteristics and advantages and disadvantages of automatic transmission. Comparison between normal transmission and automatic transmission. Advantages and disadvantages of automatic transmission compared to normal transmission.

Automatic transmission classification .According to the layout .2 According to the transmitter after the torque converter. General requirements when designing gearboxes for 8-seater vehicles. 9 CHAPTER 2: Torque converters and basic planetary transmissionsTorque converters and basic planetary transmissions .1 Hydraulic torque converter .2 Model transformation tasks .3 Structure of the model variable:. Basic planetary transmitter.

Wilson planetary transmission. Simpson’s planet transmission. Ravigneaux planetary transmission. 22 CHAPTER 3: CALCULATION OF STUDY DYNAMICS.

Selected and given vehicle parameters .2 Basic parameter of hydraulic torque converter. 26 CHAPTER 4: Calculation of the planetary gear box. Calculation desgin of planetary transmission. Structure diagram and calculation load.

Determine the gear ratio of the main transmission 𝒊𝟎. Determine the gear ratio of each gear in transmission. Kinematics equation of the base planetary transmission .1 Calculate the gear ratio for each gear individually. Calculation of teeth ratio between gear pairs in base transmissions.

Calculating the design of the cones, the brakes .4 Durability of details. Calculating the dimensions of the transmission gears. Determination of the contact stress and allowable bending stress.3 Calculate stress when overloaded. Determine the parameters of the Wilson transmitter.

Desgin each part of planetary gear. 60 PREFACE With the strong development of information technology, informatics in the path of automation is constantly developing, going deep into production technology and into products. In particular, the automotive industry is always leading the application of new technologies. Automation does not make users feel more comfortable with their car, but it improves safety in the application.

In the development of the world auto industry, the systems on cars are constantly being perfected. The powertrain is no exception to that rule. The purpose of the complete transformation is to: Reduce fuel consumption, increase power, reduce noise, increase maximum engine speed, make the best use of engine power generated and create convenience, simple for the driver. Part of the powertrain in cars today is the transmission, which is used to change the gear ratio of the powertrain to create traction at the active wheels in accordance with the moving conditions.

Transmission today includes 3 basic types: normal gearbox, automatic gearbox, and stepless gearbox. The current trend of the automotive industry is to create gearboxes capable of automatic transmission or Infinitely variable transmission ratio. However, stepless gearbox has low durability and efficiency, so it is still less popular. Therefore, the topic selected Automatic transmission to design for the required vehicle 1 CHAPTER 1: Overview of automatic transmission 1.

Tasks, requirements, structure automatic transmission. Tasks Gear used to: - Transmit, change the speed and transmission moment (or traction) to the wheels in accordance with the engine load and vehicle speed, - Change the direction of motion (forward or reverse) for the car, - Permanent disconnection of the engine from the transmission. Requirements - There is a reasonable range of transmission ratios, distribution of optimal transmission ratio change intervals, in accordance with the required dynamics and transport economy. - Must have high power transmission efficiency - When working without making noise without generating dynamic loads, shifting gears gently - Compact structure, easy to maintain and repair - It is possible to arrange a power extractor cluster to drive other auxiliary equipment.General structure of automatic transmission (EAT) The automatic transmission cluster in cars today includes a moment converter and a planetary gearbox, which is a cluster that shares a shell that is mounted behind the engine.

In the powertrain, the function of the automatic transmission assembly has a complex electro-hydraulic control system that works together with a small electronic computer to automatically switch gears inside the box. main number Moment converters used on conventional cars are capable of varying moment between 1.5 times the torque of the engine. Therefore, moment converter cannot meet the driving conditions of the car, so tmoment converter is often used together with a stepless or stepless mechanical transmission. Operational characteristics and advantages and disadvantages of automatic transmission 1.

Operational characteristics: For cars with a normal transmission, the gearshift lever is used to change gears to change the traction at the wheel to suit the moving conditions. When driving uphill or when the engine does not have enough power to climb the hill in the running gear, the transmission is shifted to low gear. Therefore, the driver must constantly be aware of the load and engine speed in order to shift gears appropriately. That will cause an unnecessary loss of engine power, in addition, it will cause difficulties when controlling and excessive concentration for the driver.

In an automatic transmission, such awareness of the driver is not necessary, the driver only needs to select a number of gears, and then shifting up or down to the most appropriate gear is done automatically at the time of automatic transmission. Most suitable according to engine load and vehicle speed. The automatic transmission has increased the comfort of the car. In addition, during operation, it is possible to stop the vehicle without having to disconnect the clutch and switch to N.

The hydraulic automatic transmission has a straight transmission speed as well as an increased transmission. Comparison between normal transmission and automatic transmission. Compared with normal transmission, automatic transmission has the following differences: Normal transmission Automatic transmission With clutch (taper) up with taper shank In the automatic transmission, the role (clutch pedal) of the clutch is to change the The moment flow from the engine to the hydraulic moment, and the moment transmission passes through the clutch and transmitted from the engine to the it is only capable of transmitting all the transmission when passing through moment generated by the engine. the moment converter is increased K times.

where K is the coefficient of variation 3 The gearbox arm have usually sprinkled The gearbox arm of the automatic shape transmission is in a straight direction 1 3 P R N D 2 4 R 2 1 The gears when shifting gears are engaged The gears are engaged and when together. direct insertion or locking shifting gears only control the synchromesh clutches. the taper are controlled automatically through valve number In the process of shifting gears, the traction For automatic transmission, the graph is partially delayed due to the delay gearshift is automatic by controlling caused by the downshifting process shown the hydraulic flow to close the various in the black part of the graph. valves so the time lag is almost zero.

For cars with a normal transmission, the gearshift lever is used to change gears to change the traction at the wheel to suit the moving conditions. When driving uphill or when the engine does not have enough power to climb the hill in the running gear, the transmission is shifted to low gear. For these reasons, it is essential for drivers to constantly be aware of engine load and speed in order to shift gears appropriately. That will cause an unnecessary loss of engine power, in addition, it will cause difficulties when controlling and excessive concentration for the driver.

In an automatic transmission, such awareness of the driver is not necessary, the driver does not need to shift gears, but shifting up or down to the most appropriate gear is done automatically at the most appropriate time. according to engine load and 4 vehicle speed 1. Advantages and disadvantages of automatic transmission compared to normal transmission. • Advantages: - Thanks to the structure of the planetary transmission, the planetary gearbox when automating the gearshift process has many advantages.

- The process of shifting gears is done automatically, so it reduces clutch and transmission control, reducing labor intensity for the driver, enabling the driver to handle other situations on the road. This makes the comfort in use of the car significantly increased. - The moment is transmitted to the active wheels smoothly and continuously, corresponding to the engine load and vehicle speed, reducing the dynamic load on the powertrain and finishing kinetic ability. - When using hydraulic torque converter, or belt transmission, it is possible to limit dynamic loads, improve the life and durability of the engine and transmission system.

- Shift gears continuously without cutting the flow of force from the engine. - Longer service life, simultaneous transmission of force through several pairs of mating gears, small tooth stress. Inner meshing, so the diameter of the engagement circle is large. Capable of self-suppressing axial force.

- Reduce noise when working. - High working efficiency because the energy flows can be parallelized. For suitable gear ratio but not large size. • Disadvantages: - Besides, automatic transmission also inevitably has disadvantages: - The speed change is also accompanied by slippage of the transmission elements, resulting in a small loss of engine power.

- The ability of the car to move does not completely depend on the driver's actions but also on the condition of the road surface, sometimes there may be situations where it is difficult to control the movement of the car on the road. 5 - Manufacturing technology requires high precision because the most used axes are cage shafts, many gears are matched with one gear, and the control mechanisms require high precision. - Complex structure, many cage assemblies, cage shafts, brakes, locking clutches. The centrifugal force on the planetary gears is large due to the large angular speed.

- Using more clutches and brakes can increase power loss when shifting gears, and performance will decrease. - However, with current machine-building technology, the disadvantages of planetary gearboxes will gradually be overcome when choosing the optimal operating scheme. Automatic transmission classification 1.According to the layout • Front engine, active front axle (FF): 1.1: Front-mounted engine layout, active front-wheel drive (FF) • Engine placed in front, active rear axle (FR): 1.Active bridge Figure 1.2: Engine layout in front, active rear axle (FR) 6 The gearboxes used on FF cars are designed to be more compact than those used on FR cars because they are installed in the same compartment with the engine. Transmissions used in FR cars have a final gear drive with an external axle housing.

The gearboxes used on FF cars have the last gear transmission with the axle housing installed inside, so the automatic transmission used on FF cars is also called a axle housing transmission.2 According to the transmitter after the torque converter. Continuously Variable Transmission (belt transmission) Automatic transmission with speed (normal fixed shaft and planetary transmission movable shaft) Continuously Variable Transmission Figure 1.4: Automatic transmission with speed (planetary) 1. By control 7 - Normal automatic transmission. - Semi-automatic transmission 8 1.

General requirements when designing gearboxes for 8-seater vehicles. - Because 8-seater vehicles are multi-purpose vehicles, the load capacity changes over a wide range, operating in many different terrains. This type of vehicle mainly works on relatively good quality road surfaces such as concrete and asphalt. The small size of the car is suitable for companies to use as a shuttle for employees of each separate department or for some families, also suitable for taking small families to visit or return to the countryside.

Therefore the requirements for the gearbox when designing for the vehicle: - Shifting gears is quick, smooth and precise, without jerking or making noise. Reasonable gear ratio range to make full use of engine power and improve vehicle acceleration. - Save fuel as much as possible. - The most favorable structure possible for vehicle repair, maintenance and diagnostics.

- High durability, great reliability.