Đồ án thiết kế hộp số ô tô - SV Ung Khả Ý (ĐH Bách Khoa Đà Nẵng)

Tham khảo đồ án thiết kế hộp số ô tô đầy đủ. Tài liệu trình bày chi tiết các bước tính toán, thiết kế bộ đồng tốc và mô tả kết cấu hộp số.

• Tác giả: Ung Khả Ý
• Người hướng dẫn: Tiến sĩ Phan Minh Đức
• Trường học: Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng
• Chuyên ngành: Cơ khí giao thông
• Đề tài: Thuyết minh đồ án thiết kế hộp số ô tô (Chi tiết A-Z)
• Loại tài liệu: Đồ án thiết kế
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Đà Nẵng

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Hộp Số Ô Tô và Vai Trò Quan Trọng

Hộp số ô tô là bộ phận cơ khí thiết yếu trong hệ thống truyền động xe, có chức năng thay đổi mômen và số vòng quay từ động cơ truyền đến bánh xe chủ động. Trong quá trình vận hành, thiết kế hộp số phải đáp ứng các yêu cầu khắt khe về sức bền, hiệu suất và an toàn. Hộp số không chỉ giúp xe thích ứng với các điều kiện làm việc khác nhau mà còn cho phép thay đổi chiều quay để xe chạy lùi, ngắt truyền động khi cần thiết. Việc tính toán thiết kế hộp số đòi hỏi kiến thức sâu rộng về cơ học, vật liệu và động lực học. Một hộp số được thiết kế tốt sẽ nâng cao tính năng động lực, tiết kiệm nhiên liệu và kéo dài tuổi thọ của phương tiện.

1.1. Công Dụng Chính Của Hộp Số

Hộp số ô tô thực hiện nhiều chức năng quan trọng. Trước hết, nó thay đổi tỷ số truyền để điều chỉnh mômen động lực phù hợp với tình huống lái xe. Thứ hai, hộp số cho phép xe chạy lùi bằng cách đảo chiều quay. Thứ ba, nó ngắt truyền động lâu dài giữa động cơ và bánh xe trong các trường hợp như khởi động, dừng xe trên dốc hay chạy theo quán tính. Các chức năng này là nền tảng để thiết kế hộp số hiệu quả và an toàn.

1.2. Yêu Cầu Thiết Kế Hộp Số

Thiết kế hộp số xe du lịch phải đáp ứng nhiều tiêu chí kỹ thuật. Hộp số cần có đủ tỷ số truyền đa dạng để đảm bảo tính kinh tế và động lực. Khi gài số, hộp số không được tạo ra lực va đập lên các bánh răng. Để đạt được điều này, hộp số phải trang bị các bộ đồng tốc chuyên dụng. Ngoài ra, kết cấu phải gọn nhẹ, sức bền cao và dễ bảo trì, đáp ứng tiêu chuẩn an toàn và môi trường.

II. Phân Loại Và Các Loại Hộp Số Thường Dùng

Trên thị trường hiện nay, hộp số ô tô được phân loại theo nhiều cách khác nhau dựa trên cơ cấu kỹ thuật và cách vận hành. Các loại hộp số phổ biến bao gồm hộp số hai trục, ba trục (đồng tâm), và hộp số nhiều cấp độc lập. Hộp số hai trục là loại cơ bản với trục sơ cấp và trục thứ cấp gắn các bánh răng. Hộp số ba trục hay hộp số đồng tâm cải tiến kết cấu bằng cách bố trí các bánh răng trên các bộ roto đồng tâm. Ngoài ra, một số hộp số ô tô hiện đại sử dụng hộp số phụ đặt trước hoặc sau hộp số chính để tăng thêm các cấp truyền, giúp tối ưu hóa hiệu năng xe.

2.1. Hộp Số Hai Trục và Ba Trục

Hộp số hai trục là kiểu cơ bản với trục sơ cấp nhận động từ ly hợp và trục thứ cấp truyền tới cầu chuyển. Các bánh răng của từng cấp gài khác nhau tạo tỷ số truyền khác nhau. Hộp số ba trục hay hộp số đồng tâm cải thiện cấu trúc bằng cách đặt các bộ roto đồng tâm, giúp giảm kích thước và tăng số cấp truyền. Hai loại này là cơ sở cho thiết kế hộp số hiện đại.

2.2. Hộp Số Phụ Và Hộp Số Nhiều Cấp

Hộp số phụ được đặt trước hoặc sau hộp số chính để tăng thêm các cấp truyền. Loại này phổ biến ở xe tải và xe khách nặng. Hộp số nhiều cấp kết hợp nhiều bộ bánh răng độc lập để cung cấp hàng chục cấp truyền khác nhau. Thiết kế này giúp tối ưu hóa hiệu suất, tiết kiệm nhiên liệu và cải thiện khả năng vận hành của phương tiện trong nhiều điều kiện khác nhau.

III. Cơ Cấu Điều Khiển Và Bộ Đồng Tốc Hộp Số

Cơ cấu điều khiển hộp số là hệ thống cho phép người lái chọn các cấp số khác nhau một cách an toàn và hiệu quả. Hệ thống này bao gồm cơ cấu định vị, cơ cấu an toàn khi gài số lùi, ống gài số và các chi tiết liên quan. Bộ đồng tốc hộp số có vai trò rất quan trọng, giúp giảm tốc độ quay giữa các bánh răng khi gài số, từ đó loại bỏ các lực va đập và tiếng ồn. Có hai loại bộ đồng tốc chính: loại chốt hãm và loại răng hãm. Cả hai đều sử dụng nguyên lý ma sát để thực hiện chức năng đồng tốc. Thiết kế tối ưu của bộ đồng tốc đảm bảo thời gian chuyển số ngắn, mô men ma sát ổn định và tuổi thọ dài.

3.1. Cơ Cấu Định Vị Và An Toàn Gài Số

Cơ cấu định vị trong hộp số giúp cố định vị trí gài số, ngăn chặn sự thay đổi không mong muốn. Cơ cấu an toàn khi gài số lùi là tính năng bảo vệ quan trọng, ngăn chặn việc vô tình gài số lùi trong khi xe đang chuyển động phía trước. Ống gài số truyền tín hiệu từ tay lái đến cơ cấu gài, kích hoạt các bánh răng chuyển động. Những yếu tố này là bộ phận thiết yếu trong thiết kế hộp số an toàn.

3.2. Bộ Đồng Tốc Loại Chốt Hãm Và Răng Hãm

Bộ đồng tốc loại I (chốt hãm) sử dụng các chốt nhô ra trên bề mặt để tạo ma sát. Bộ đồng tốc loại II (răng hãm) có các răng hãm hình nêm tạo lực cọ mạnh hơn. Cả hai loại đều có mặt côn ma sát với góc nghiêng β cụ thể. Tính toán thiết kế bộ đồng tốc phải đảm bảo mô men ma sát đủ lớn, thời gian chuyển số tối ưu và độ bền cao, tránh hiện tượng trượt trong quá trình vận hành.

IV. Tính Toán Và Thiết Kế Chi Tiết Hộp Số

Tính toán thiết kế hộp số là giai đoạn quan trọng nhất, bao gồm nhiều bước chi tiết từ xác định các thông số ban đầu đến kiểm tra sức bền. Trước tiên, cần chọn kiểu hộp số phù hợp và sơ đồ động học. Tiếp theo, tính toán tỷ số truyền của cấp thấp nhất, số cấp của hộp số dựa trên các yêu cầu về động lực và kinh tế. Sau đó, thiết kế kích thước cơ bản của trục, tính số răng của các bánh răng, đường kính vòng chia và mômen quán tính. Thiết kế bộ đồng tốc bao gồm tính mô men ma sát, bán kính ma sát, chiều rộng bề mặt ma sát và góc hãm. Cuối cùng, phải kiểm tra các thông số này bằng các công thức xác thực để đảm bảo hộp số hoạt động hiệu quả, an toàn và đáp ứng tiêu chuẩn kỹ thuật.

4.1. Xác Định Thông Số Ban Đầu Và Sơ Đồ Động Học

Tính toán hộp số bắt đầu bằng việc chọn loại hộp số và vẽ sơ đồ động học chi tiết. Dựa trên thông số của động cơ (công suất, mômen, vòng quay) và yêu cầu của xe (tốc độ tối đa, khả năng leo dốc), tính tỷ số truyền của cấp chậm nhất nhằm đảm bảo khả năng leo dốc và gia tốc. Xác định số cấp của hộp số dựa trên đường cong hiệu suất lý tưởng. Từ đó thiết kế vị trí các bánh răng trên các trục sơ cấp và thứ cấp.

4.2. Thiết Kế Kích Thước Trục Và Bánh Răng

Thiết kế kích thước trục sơ cấp và thứ cấp dựa trên mô men lực và độ cứng yêu cầu. Tính số răng của từng bánh răng sao cho tỷ số truyền từng cấp đạt yêu cầu. Tính toán đường kính vòng chia của bánh răng từ số răng và mô-đun. Xác định mômen quán tính của bánh răng dựa trên khối lượng và hình dạng. Những thông số này là cơ sở cho thiết kế bộ đồng tốc và kiểm tra sức bền toàn bộ hộp số.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1.TỔNG QUAN VỀ HỘP SỐ Ô TÔ 1. Công dụng và yêu cầu của hộp số ô tô 1. Công dụng Hộp số là bộ phận dùng để thay đổi mômen và số vòng quay của động cơ truyền đến các bánh xe chủ động đủ để thắng sức cản chuyển động của ôtô thay đổi khá nhiều trong quá trình làm việc. Ngoài ra, hộp số còn dùng để: - Thay đổi chiều quay của trục bị động so với trục chủ động để xe có thể chạy lùi.

- Ngắt truyền động lâu dài giữa động cơ và các bánh xe chủ động khi cần thiết như: khi cho xe đứng yên trong thời gian dài mà không cần phải tắt máy, khi khởi động, cho xe chạy xuống dốc, chạy theo quán tính,… 1. Yêu cầu Để đảm bảo các công dụng trên, ngoài các yêu cầu chung về sức bền và kết cấu gọn nhẹ thì hộp số phải thõa mãn các yêu cầu đặc trưng sau: - Hộp số phải có đủ tỷ số truyền cần thiết nhằm đảm bảo tốt tính chất động lực và tính kinh tế nhiên liệu khi làm việc. - Khi gài số không sinh ra các lực va đập lên các răng nói riêng và hệ thống truyền lực nói chung. Muốn vậy, hộp số ôtô phải có các bộ đồng tốc để gài số hoặc ống để gài số.

- Hộp số phải có vị trí trung gian để ngắt truyền động của động cơ khỏi hệ thống truyền lực trong thời gian lâu dài. Phải có cơ cấu chống gài hai số cùng lúc để đảm bảo an toàn cho hộp số không bị gãy vỡ răng. - Phải có số lùi để cho phép xe chuyển động lùi. Đồng thời phải có cơ cấu an toàn chống gài số lùi một cách ngẫu nhiên.

- Điều khiển nhẹ nhàng, làm việc êm dịu, tin cậy và hiệu suất cao. SVTH: Ung Khả Ý _ Lớp:18C4A_GVHD: TS. Phan Minh Đức -2- Đồ án thiết kế hộp số xe du lịch 1. Phân loại hộp số ô tô Với các yêu cầu nêu trên, tùy theo tính chất truyền mômen cũng như sơ đồ động học, hiện nay hộp số cơ khí ôtô có thể phân loại như sau: - Dựa vào tính chất truyền mômen, có thể phân hộp số ôtô ra làm hai kiểu: + Kiểu hộp số vô cấp là kiểu hộp số có mômen truyền qua hộp số biến đổi liên tục và do đó tỷ số truyền động học cũng thay đổi liên tục.

Hộp số này dùng trên ôtô chủ yếu là kiểu truyền động bằng thủy lực. + Kiểu hộp số có cấp là kiểu hộp số gồm một số cấp hữu hạn (thường từ 3 đến 20 cấp). Ứng với mỗi cấp có giá trị mômen và do đó tốc độ truyền qua hộp số không đổi. - Dựa trên số trục chứa các cặp bánh răng truyền số, có thể chia hộp số ôtô ra làm hai loại sau: + Hộp số hai trục: Là loại hộp số có trục sơ cấp gắn với bánh răng chủ động của số truyền, trục thứ cấp chứa bánh răng bị động.

+ Hộp số ba trục: Là hộp số có trục sơ cấp gắn bánh răng chủ động của số truyền, trục trung gian chứa bánh răng trung gian và trục thứ cấp chứa bánh răng bị động. Điều đặc biệt là trục sơ cấp và trục thứ cấp (trục thứ ba) bố trí đồng tâm. - Dựa theo số cấp của hộp số, có thể phân chia ra làm hai loại: + Hộp số thường có số cấp nhỏ hơn hoặc bằng 6. + Hộp số nhiều cấp có số cấp lớn hơn 6 (thường từ 8 đến 20 cấp).

Một số loại hộp số thường dùng 1. Hộp số hai trục Gồm một trục sơ cấp gắn với bánh răng chủ động và trục thứ cấp gắn với bánh răng bị động của các cấp số truyền tương ứng. Loại hộp số hai trục không thể tạo được số cấp truyền thẳng như hộp số ba trục nên hiệu suất tất cả các cấp số truyền của hộp số luôn nhỏ hơn một. SVTH: Ung Khả Ý _ Lớp:18C4A_GVHD: TS.

Phan Minh Đức -3- Đồ án thiết kế hộp số xe du lịch Với hộp số hai trục thì đầu ra có thể đi theo hai chiều nên nó phù hợp với hệ thống truyền lực có cầu chủ động bố trí cùng phía với động cơ như trên một số xe ô tô du lịch. Điều này thuận lợi cho việc thiết kế truyền lực chính của cầu chủ động với kiểu bánh răng trụ và nếu thiết kế kiểu này thì không cần sử dụng truyền động cắc- đăng để nối truyền động từ hộp số đến cầu chủ động như các sơ đồ bố trí cổ điển trên ô tô sử dụng hộp số ba trục đồng tâm. Hộp số hai trục cũng được sử dụng phổ biến của hệ thống truyền lực máy kéo và các loại máy chuyên dụng khác.1- Sơ đồ hộp số hai trục I- Trục sơ cấp; II- Trục thứ cấp; 1, 2, 3, 4, 5, L- Vị trí gài cấp số 1, số 2, số 3, số 4, số 5, số lùi của hộp số. - Ưu điểm: + Hiệu suất cao vì mỗi số chỉ qua 1 cặp bánh răng ăn khớp.

+ Kết cấu đơn giản. + Dễ bố trí và đơn giản được kết cấu, hệ thống truyền lực khi xe đặt động cơ gần cầu chủ động. SVTH: Ung Khả Ý _ Lớp:18C4A_GVHD: TS. Phan Minh Đức -4- Đồ án thiết kế hộp số xe du lịch - Nhược Điểm: + Kích thước chiều ngang lớn hơn hộp số ba trục đồng tâm khi có cùng tỷ số truyền (ở hộp số đồng tâm, mỗi tỷ số truyền thì ít nhất qua hai cặp bánh răng nên kích thước gọn hơn nhưng hiệu suất thấp hơn trừ số truyền thẳng).

+ Kích thước hộp số lớn sẽ kéo theo trọng lượng lớn, nhất là khi xe có tỷ số truyền lớn. + 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 tỉ số truyền tay số thấp nhất bị hạn chế. Hộp số ba trục (hộp số đồng tâm) Kết cấu hộp số ba trục thường có ít nhất 3 trục truyền động, có trục sơ cấp và trục thứ cấp lắp đồng trục, ngoài ra còn có thêm trục trung gian.

Trục trung gian có thể có một, hai hoặc ba trục bố trí xung quanh trục sơ cấp và thứ cấp nhằm tăng độ cứng vững cho trục thứ cấp, duy trì sự ăn khớp tốt nhất cho các cặp bánh răng lắp trên trục. - Ưu điểm: + Có số truyền thẳng, bằng cách nối trực tiếp trục sơ cấp và trục thứ cấp. Khi làm việc ở số truyền thẳng, các bánh răng, ổ trục và trục trung gian hầu như được giảm tải hoàn hoàn toàn nên giảm được mài mòn, tiếng ồn và mất mát công suất nên đạt được hiệu suất cao nhất. Điều này có ý nghĩa rất lớn đối với hộp số ôtô vì phần lớn thời gian làm việc của hộp số là số truyền thẳng (chiếm tỷ lệ đến 50% ÷ 80%).

Vì vậy hộp số kiểu này được sử dụng nhiều trên các loại xe ôtô (từ xe du lịch cho đến xe khách và xe tải). + Ở các số truyền khác, mômen truyền qua hai cặp bánh răng, do đó có thể tạo được tỷ số truyền lớn với kích thước khá nhỏ gọn. Nhờ đó giảm được trọng lượng toàn bộ của ôtô. SVTH: Ung Khả Ý _ Lớp:18C4A_GVHD: TS.

Phan Minh Đức -5- Đồ án thiết kế hộp số xe du lịch - Nhược điểm: Trục thứ cấp phải bố trí gối lên trục sơ cấp thông qua ổ bi đặt bên trong phần rỗng của đầu trục ra trục sơ cấp, nên ổ bi này có thể không được chọn theo tiêu chuẩn tính toán ổ bi mà phải tính toán thiết kế riêng. Điều này có thể làm cho ổ bi này dễ bị tình trạng quá tải. Tuy vậy, cách bố trí này hộp số có khả năng truyền thẳng nên ổ bi này làm việc cũng không nhiều nên ít ảnh hưởng đến tuổi thọ của ổ bi.2- Sơ đồ hộp số ba trục I- Trục sơ cấp; II- Trục trung gian; III- Trục thứ cấp. Hộp số nhiều cấp Hộp số nhiều cấp được tạo thành bằng cách ghép thêm vào phía trước hay phía sau hộp số cơ sở (hộp số chính loại 3 trục) một hộp giảm tốc gọi là hộp số phụ.

Hộp số phụ thường có một số truyền thẳng và một số truyền giảm hoặc tăng. Hộp số phụ đặt phía trước hộp số chính Nó chỉ có một cặp bánh răng để tạo số thấp, còn số cao là số truyền thẳng nối trực tiếp trục vào của hộp số phụ với trục sơ cấp của hộp số chính. Tỷ số truyền số SVTH: Ung Khả Ý _ Lớp:18C4A_GVHD: TS. Phan Minh Đức -6- Đồ án thiết kế hộp số xe du lịch thấp của hộp số phụ này không lớn, có tác dụng chủ yếu là chia nhỏ dãy tỷ số truyền của hộp số chính nên còn gọi là hộp số chia.3- Sơ đồ hộp số nhiều cấp với hộp số phụ kiểu hành tinh bố trí phía trước 1p, 2p- Vị trí gài cấp số 1, số 2 của hộp số phụ; 1, 2, 3, 4, 5, L- Vị trí gài cấp số 1, số 2, số 3, số 4, số 5, số lùi của hộp số; Zap- Cặp bánh răng dẫn động trục trung gian từ hộp số phụ; Zac- Cặp bánh răng dẫn động trục trung gian từ hộp số chính; Ip- Trục sơ cấp hộp số phụ; I- Trục sơ cấp hộp số chính (thứ cấp hộp số phụ); II- Trục trung gian; III- Trục thứ cấp hộp số chính.

- Ưu điểm: + Kết cấu đơn giản, đảm bảo tính thống nhất hoá cao cho hộp số chính. + Hiệu suất tương tự như hộp số chính khi gài số thấp ở hộp số phụ. - Nhược điểm: SVTH: Ung Khả Ý _ Lớp:18C4A_GVHD: TS. Phan Minh Đức -7- Đồ án thiết kế hộp số xe du lịch + Yêu cầu khoảng cách trục hộp số lớn hơn, do mômen trên trục ra của hộp số chính lớn.

Hộp số phụ đặt phía sau hộp số chính Thường là loại có trục cố định với hai cặp bánh răng hành tinh. Có một số truyền thẳng và một số truyền giảm với tỷ số truyền khá lớn (khoảng số truyền lớn hơn của hộp số chính) nên gọi là hộp giảm tốc.4- Sơ đồ hộp số nhiều cấp với hộp số phụ kiểu hành tinh bố trí phía sau I- Trục sơ cấp hộp số chính; II- Trục trung gian; III- Trục thứ cấp hộp số chính (trục sơ cấp của hộp số phụ); IIIp- Trục thứ cấp của hộp số phụ. - Ưu điểm: + Giảm khoảng cách trục và tải trọng tác dụng lên các chi tiết của hộp số chính. - Nhược điểm: + Giảm tính thống nhất hoá của hộp số chính.

+ Hiệu suất giảm khi gài số truyền thấp. SVTH: Ung Khả Ý _ Lớp:18C4A_GVHD: TS. Phan Minh Đức -8- Đồ án thiết kế hộp số xe du lịch 1.