Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong hệ thống vận tải đường bộ, phương tiện ô tô đóng vai trò then chốt trong việc luân chuyển hành khách và hàng hóa nhờ tính cơ động, khả năng tiếp cận linh hoạt các cung đường ngắn và trung bình, cũng như hiệu quả kinh tế. Ngành công nghiệp ô tô tại Việt Nam đã có sự chuyển biến từ giai đoạn nhập khẩu nguyên chiếc trước năm 1985 sang giai đoạn liên doanh, liên kết và từng bước phát triển sản xuất, lắp ráp từ thập niên 1990. Do đó, việc nghiên cứu, làm chủ quy trình tính toán, thiết kế các cụm chi tiết chính trong hệ thống truyền lực—đặc biệt là hộp số—trở thành nhiệm vụ quan trọng đối với kỹ sư cơ khí ô tô.
Đề tài "Tính toán thiết kế hộp số sàn ô tô" được nhóm sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Trường Đại học Công nghệ TP. Hồ Chí Minh thực hiện dưới sự hướng dẫn của Th.S Huỳnh Quang Thảo (năm 2023), tập trung vào các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:
Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế
Khung lý thuyết của đồ án dựa trên các nguyên lý động lực học ô tô, lý thuyết truyền động bánh răng và tính toán thiết kế hệ thống truyền lực được giảng dạy trong chương trình kỹ thuật cơ khí ô tô (tham khảo các giáo trình của Nguyễn Phụ Thượng Lưu, Trịnh Văn Định, Lê Văn Tụy, Đặng Quý). Các mô hình và công thức lý thuyết cốt lõi gồm có:
- Mô hình động học và phân bố tỷ số truyền: Phương pháp xác định tỷ số truyền tay số 1 ($i_{h1}$) dựa trên điều kiện cản lớn nhất của mặt đường ($\psi_{max}$) và điều kiện bám giữa bánh xe với mặt đường; Dãy tỷ số truyền trung gian được hiệu chỉnh theo quy luật cấp số điều hòa để tối ưu hóa việc tận dụng vùng công suất động cơ ở các tay số cao.
- Động học bánh răng trụ răng nghiêng: Phương pháp phân chia tỷ số truyền cho cặp bánh răng luôn ăn khớp ($i_a$) và các cặp bánh răng gài số ($i_{gk}$); Công thức xác định khoảng cách trục sơ bộ ($A$) theo mô-men xoắn cực đại của động cơ kết hợp hệ số kinh nghiệm ($k_a$); Công thức hiệu chỉnh góc nghiêng răng chính xác ($\beta_x$) nhằm bảo đảm khoảng cách trục chuẩn trên tất cả các cấp số.
- Mô hình động lực học bộ đồng tốc: Áp dụng phương pháp quy dẫn mô-men quán tính khối lượng của các chi tiết quay (trục sơ cấp, đĩa ma sát ly hợp, trục trung gian, các bánh răng quay trơn trên trục thứ cấp) về trục ly hợp ($J_a$); Phương pháp đánh giá độ bền nhiệt - mài mòn của vành ma sát đồng tốc thông qua công thức tính công trượt của giáo sư Griskevich và chỉ tiêu công trượt riêng ($l_{ms}$).
Về phương pháp thực hiện, đồ án kết hợp:
- Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu kỹ thuật: Khảo sát cấu tạo và nguyên lý của 3 loại hộp số hiện đại (DCT trên Audi A3, AT trên Mazda CX-3, CVT trên Honda CR-V) để đối chiếu ưu nhược điểm với hộp số sàn cơ khí.
- Phương pháp giải tích kỹ thuật: Sử dụng chuỗi công thức kinh nghiệm và phương trình động lực học chuyên ngành để tính toán giải tích toàn bộ thông số hình học, lực và động năng.
- Phương pháp mô hình hóa 3D CAD: Ứng dụng phần mềm SOLIDWORKS để tạo dựng mô hình hình học 3D của các chi tiết, lắp ráp cụm hộp số và kiểm tra không gian làm việc.
Thiết kế và kiểm nghiệm hệ thống kỹ thuật
Dựa trên dữ liệu đầu vào của xe du lịch và quy trình tính toán động lực học, các thông số kỹ thuật chính của hệ thống hộp số sàn và bộ đồng tốc đã được xác lập:
| Thông số thiết kế |
Giá trị tính toán / Tiêu chuẩn |
Đơn vị |
| Tỷ số truyền lực chính ($i_0$) |
3.72 |
- |
| Tỷ số truyền tay số 1 ($i_{h1}$) / Số cấp ($n$) |
3.5 (chính xác: 3.904) / 4 cấp tiến, 1 lùi |
- |
| Tỷ số truyền các tay số trung gian ($i_{h2}, i_{h3}, i_{h4}$) |
$i_{h2} = 1.91$ (chính xác 1.884); $i_{h3} = 1.31$ (chính xác 1.316); $i_{h4} = 1.0$ |
- |
| Tỷ số truyền cặp bánh răng luôn ăn khớp ($i_a$) |
1.4 ($Z_a = 25; Z'_a = 35$) |
- |
| Khoảng cách giữa các trục ($A_k$) |
80 |
mm |
| Mô-đun pháp tuyến ($m$) |
$m = 2.5$ (số 1, số lùi); $m = 2.25$ (cặp chung, số 2, số 3) |
mm |
| Góc nghiêng răng chính xác ($\beta_x$) |
$\beta_a = 32^\circ 27'; \beta_1 = 22^\circ 47'; \beta_2 = \beta_3 = 33^\circ 56'$ |
- |
| Kích thước trục sơ cấp (đường kính $d_1 \times$ chiều dài $l_1$) |
$25 \times 156$ |
mm |
| Kích thước trục trung gian (đường kính $d_2 \times$ chiều dài $l_2$) |
$28 \times 324$ |
mm |
| Kích thước trục thứ cấp (đường kính $d_3 \times$ chiều dài $l_3$) |
$36 \times 200$ |
mm |
Các chỉ tiêu kiểm nghiệm động học và nhiệt ma sát của bộ đồng tốc được tổng hợp trong bảng đối chiếu:
| Đại lượng kiểm nghiệm |
Giá trị tính toán thực tế |
Giá trị cho phép / Tiêu chuẩn |
Đánh giá |
| Mô-men ma sát thực tế ($M_{ms}$) |
49.21 |
- |
Đạt yêu cầu truyền mô-men |
| Gia tốc góc chậm dần ($\varepsilon_c$) |
23.488 |
- |
Phù hợp điều kiện giảm tốc xe |
| Thời gian chuyển số thực tế ($t_c$) |
0.316 (chuyển số cao) |
$0.2 \div 0.8$ |
Nằm trong giới hạn kinh nghiệm |
| Công trượt riêng vành ma sát ($l_{ms}$) |
47.03 |
$\le 100$ |
Đảm bảo độ bền chống mòn và nhiệt |
Mô hình 3D toàn bộ cụm hộp số, bao gồm vỏ các-te, trục sơ cấp, trục trung gian, trục thứ cấp, các bánh răng răng nghiêng, cơ cấu nạng gạt và bộ đồng tốc vành côn được thiết lập trên SOLIDWORKS nhằm thể hiện trực quan không gian ăn khớp và nguyên lý chuyển số.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Giới thiệu đề tài
Chương này nêu rõ bối cảnh phát triển của phương tiện vận tải ô tô, đặt ra yêu cầu thiết kế hộp số sàn cho ô tô du lịch nhằm biến đổi lực kéo và tốc độ góc phù hợp với các điều kiện vận hành khác nhau. Tác giả trình bày mục tiêu, 6 nhiệm vụ nghiên cứu được giao theo đề bài số 07, phương pháp tiếp cận và kết cấu tổng thể gồm 5 chương của đồ án.
Chương 2: Tổng quan hộp số
Nội dung chương 2 phân tích chuyên sâu về công dụng, yêu cầu kỹ thuật và phân loại hộp số trên ô tô (theo phương thức biến đổi vô cấp/có cấp; theo kết cấu trục 2 trục hoặc 3 trục; theo cơ chế điều khiển). Chương này làm rõ ưu nhược điểm của hộp số 3 trục:
- Ưu điểm: Hiệu suất truyền lực đạt cực đại ở số truyền thẳng (trục sơ cấp nối trực tiếp trục thứ cấp, bánh răng không chịu tải), chiếm 50–70% thời gian vận hành; cho phép tạo ra tỷ số truyền lớn qua hai cặp bánh răng.
- Nhược điểm: Ổ bi phía trước của trục thứ cấp phải đặt lồng trong lỗ đuôi trục sơ cấp dẫn đến giới hạn kích thước ổ và chịu ứng suất cục bộ cao.
Chương 2 cũng mô tả chi tiết cơ cấu điều khiển chuyển số trên nắp hộp số và điều khiển từ xa bằng cáp nối dài; các cơ cấu an toàn gồm định vị trục trượt kiểu bi - lò xo chống nhảy số, chốt khóa hãm ngăn gài đồng thời hai số, cơ cấu bảo hiểm số lùi và phân tích cấu tạo, chu trình 4 giai đoạn làm việc của bộ đồng tốc có khóa chuyển số (giai đoạn trung gian, bắt đầu đồng tốc, giữa quá trình và kết thúc chuyển số).
Chương 3: Phương án thiết kế hộp số
Chương này được chia thành 3 phần nội dung chính:
- Phân tích cơ sở lý thuyết 3 loại hộp số hiện đại:
- Hộp số ly hợp kép DCT (trên Audi A3): Cấu tạo 2 ly hợp độc lập (một ly hợp điều khiển cấp số chẵn, một ly hợp điều khiển cấp số lẻ) giúp sang số nhanh, tiết kiệm nhiên liệu; nhược điểm là chi phí chế tạo cao và bản DCT khô dễ bị quá nhiệt khi vận hành ở tốc độ thấp.
- Hộp số tự động có cấp AT (trên Mazda CX-3): Sử dụng biến mô thủy lực và các bộ bánh răng hành tinh (bánh răng mặt trời, bánh răng hành tinh, vành đai ngoài) kết hợp ly hợp ma sát ướt và phanh đai; ưu điểm dễ lái trong đô thị nhưng tiêu hao nhiên liệu cao hơn và chi phí sửa chữa lớn.
- Hộp số vô cấp CVT (trên Honda CR-V): Sử dụng hệ thống 2 puli hình nón thay đổi khoảng cách linh hoạt kết hợp đai truyền kim loại giúp tỷ số truyền biến thiên liên tục, vận hành êm ái, tối ưu tiêu hao nhiên liệu khi kết hợp Cruise Control; nhược điểm là khả năng chịu mô-men xoắn cao kém và dây đai định kỳ phải thay thế sau khoảng 50.000 km.
- Xác định các thông số cơ bản của hộp số sàn 4 cấp:
- Tính tỷ số truyền tay số 1 theo lực cản cực đại ($i_{h1} = 3.5$) và tỷ số truyền lực chính ($i_0 = 3.72$).
- Tính số cấp hộp số ($n = 4$) và dãy tỷ số truyền trung gian theo cấp số điều hòa ($a = 0.238$): $i_{h2} = 1.91$; $i_{h3} = 1.31$; $i_{h4} = 1.0$.
- Xác định khoảng cách trục $A = 80\text{ mm}$ (với $k_a = 8.9$); mô-đun pháp tuyến $m = 2.5\text{ mm}$ và $m = 2.25\text{ mm}$.
- Tính toán số răng các cặp bánh răng: Cặp chung ($Z_a = 25, Z'_a = 35$); Cặp số 1 ($Z_1 = 17, Z'_1 = 42$); Cặp số 2 ($Z_2 = 25, Z'2 = 34$); Cặp số 3 ($Z_3 = 30, Z'3 = 29$); Cụm số lùi ($Z{L1} = 16, Z_L = 16, Z'{L1} = 42$).
- Hiệu chỉnh góc nghiêng răng chính xác $\beta_x$ và kích thước hình học các trục ($d_1 = 25\text{ mm}, l_1 = 156\text{ mm}$; $d_2 = 28\text{ mm}, l_2 = 324\text{ mm}$; $d_3 = 36\text{ mm}, l_3 = 200\text{ mm}$).
- Xác định thông số bộ đồng tốc:
- Tính toán mô-men quán tính các chi tiết quay quy dẫn về trục ly hợp ($J_a = 3260.6\text{ kg}\cdot\text{mm}^2$).
- Xác định mô-men ma sát yêu cầu, kích thước vành ma sát ($R_{ms} = 54.4\text{ mm}, b_{ms} = 5\text{ mm}$) và góc nghiêng mặt hãm $\beta = 25^\circ 34'$.
Chương 4: Tính toán thiết kế hộp số sàn
Chương 4 thực hiện hai nội dung cốt lõi:
- Kiểm tra các thông số làm việc của bộ đồng tốc:
- Xác định mô-men ma sát thực tế $M_{ms} = 49.21\text{ Nm}$ với lực gài trên cần số $P_{dk} = 70\text{ N}$.
- Tính gia tốc góc chậm dần của trục thứ cấp do xe giảm tốc độ khi ngắt ly hợp ($\varepsilon_c = 23.488\text{ rad/s}^2$).
- Kiểm tra thời gian chuyển số thực tế $t_c = 0.316\text{ s}$ (thỏa mãn dải kinh nghiệm $0.2 \div 0.8\text{ s}$).
- Kiểm tra công trượt riêng của đôi bề mặt ma sát $l_{ms} = 47.03\text{ kJ/m}^2$, nhỏ hơn giới hạn cho phép $[l_{ms}] = 100\text{ kJ/m}^2$.
- Lựa chọn phương án thiết kế hộp số:
- Phân tích sơ đồ cấu tạo và các vị trí gài số của hai phương án: Hộp số 3 trục 4 số tiến 1 số lùi và Hộp số 3 trục 5 số tiến 1 số lùi.
- Căn cứ vào các tính toán động lực học ở chương 3, tác giả quyết định lựa chọn phương án hộp số 3 trục 4 số tiến 1 số lùi đặt dọc dẫn động ra cầu sau.
Chương 5: Sử dụng phần mềm SOLIDWORKS mô phỏng hệ thống hộp số sàn
Chương 5 trình bày việc ứng dụng công cụ CAD SOLIDWORKS để dựng mô hình không gian 3D cho các chi tiết trong hộp số (trục, vỏ, bánh răng nghiêng, cụm đồng tốc, cơ cấu nạng gạt). Thông qua mô hình này, tác giả thực hiện kiểm tra lắp ghép hình học và mô phỏng nguyên lý ăn khớp truyền động khi gài các tay số.
Kết quả và đóng góp
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
-
Hạn chế:
- Đồ án chưa tiến hành các bước tính toán kiểm nghiệm độ bền mỏi uốn và độ bền tiếp xúc cho từng cặp bánh răng cũng như kiểm nghiệm ứng suất then hoa trên các trục.
- Chưa thực hiện đánh giá độ võng và góc xoay của các trục hộp số dưới tác dụng của lực tiếp tuyến, lực hướng tâm và lực dọc trục phát sinh từ răng nghiêng.
- Thời gian thực hiện và nguồn dữ liệu thực nghiệm còn hạn chế, chủ yếu dựa trên các công thức bán thực nghiệm và tiêu chuẩn kinh nghiệm.
-
Hướng phát triển:
- Bổ sung module tính toán độ bền chi tiết máy chuyên sâu (bền tiếp xúc, bền uốn răng, bền ổ lăn).
- Ứng dụng phần mềm mô phỏng động lực học xe chuyên dụng (như CarSim kết hợp SOLIDWORKS Motion) để khảo sát chất lượng sang số trong các chu trình lái thực tế.
- Khảo sát, nghiên cứu các giải pháp kết cấu hộp số nhiều cấp (5–6 cấp) hoặc tích hợp cơ cấu điều khiển bán tự động.
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ khí Động lực:
- Đối tượng sử dụng: Sinh viên đang thực hiện đồ án môn học "Tính toán thiết kế ô tô", đồ án tốt nghiệp chuyên ngành ô tô hoặc các học phần liên quan đến thiết kế hệ thống truyền lực.
- Nội dung giá trị: Các thuật toán phân bố tỷ số truyền theo cấp số điều hòa; quy trình tính toán quy dẫn mô-men quán tính khối lượng phức tạp về trục ly hợp ($J_a$); phương pháp giải tích công trượt và công trượt riêng của bộ đồng tốc theo lý thuyết Griskevich.
Câu hỏi thường gặp
-
Câu hỏi 1: Bộ thông số đầu vào của xe du lịch dùng để tính toán thiết kế hộp số trong đề tài này gồm những gì?
- Trả lời: Các thông số đầu vào bao gồm: xe du lịch công thức bánh xe $4 \times 2$, động cơ xăng 4 kỳ đặt trước, cầu sau chủ động; khối lượng không tải 1600 kg, toàn tải 2100 kg; ký hiệu lốp 220/60/R16; công suất cực đại 90 kW tại 5000 vòng/phút, mô-men xoắn cực đại 210 Nm; vận tốc cực đại $170\text{ km/h}$; hệ số cản lớn nhất của mặt đường $\psi_{max} = 0.35$.
-
Câu hỏi 2: Dãy tỷ số truyền trung gian của hộp số được xác định theo quy luật nào và giá trị cụ thể là bao nhiêu?
- Trả lời: Dãy tỷ số truyền trung gian được hiệu chỉnh theo quy luật cấp số điều hòa với hằng số $a = 0.238$. Kết quả tính toán giải tích xác định: số 1 có $i_{h1} = 3.5$ (sau hiệu chỉnh số răng đạt 3.904), số 2 có $i_{h2} = 1.91$ (hiệu chỉnh: 1.884), số 3 có $i_{h3} = 1.31$ (hiệu chỉnh: 1.316), số 4 là số truyền thẳng $i_{h4} = 1.0$ và số lùi $i_{hL} = 4.2$.
-
Câu hỏi 3: Khoảng cách trục và kích thước các trục của hộp số được chọn là bao nhiêu?
- Trả lời: Khoảng cách trục tiêu chuẩn được xác định là $A = 80\text{ mm}$ (với hệ số kinh nghiệm $k_a = 8.9$). Kích thước các trục gồm: trục sơ cấp đường kính $d_1 = 25\text{ mm}$, chiều dài $l_1 = 156\text{ mm}$; trục trung gian đường kính $d_2 = 28\text{ mm}$, chiều dài $l_2 = 324\text{ mm}$; trục thứ cấp đường kính $d_3 = 36\text{ mm}$, chiều dài $l_3 = 200\text{ mm}$.
-
Câu hỏi 4: Kết quả kiểm tra công trượt riêng của bộ đồng tốc đạt bao nhiêu và có thỏa mãn điều kiện làm việc không?
- Trả lời: Giá trị công trượt riêng lớn nhất của bộ đồng tốc tính được là $l_{ms} = 47.03\text{ kJ/m}^2$. Giá trị này hoàn toàn thỏa mãn điều kiện làm việc vì nhỏ hơn giới hạn cho phép đối với ô tô con ($[l_{ms}] \le 100\text{ kJ/m}^2$), bảo đảm vành ma sát bằng đồng thau không bị mài mòn quá nhanh hoặc cháy hỏng do nhiệt.
-
Câu hỏi 5: Tại sao tác giả lựa chọn phương án hộp số 3 trục thay vì hộp số 2 trục?
- Trả lời: Do xe thiết kế có cấu hình động cơ đặt trước và cầu sau chủ động ($4 \times 2$), khoảng cách từ động cơ tới cầu chủ động lớn. Hộp số 3 trục cho phép trục sơ cấp và trục thứ cấp đồng trục, tạo ra số truyền thẳng với hiệu suất truyền lực cực đại (bánh răng quay không tải, hạn chế mòn), đồng thời chiều dài hộp số 3 trục giúp rút ngắn chiều dài trục các-đăng truyền về cầu sau.
Kết luận
Đồ án "Tính toán thiết kế hộp số sàn ô tô" đã hoàn thành đầy đủ các nội dung tính toán động học, động lực học và kiểm nghiệm bộ đồng tốc cho hộp số sàn cơ khí 4 cấp trên ô tô du lịch theo đúng các yêu cầu kỹ thuật đề ra. Toàn bộ các thông số kết cấu như khoảng cách trục, mô-đun, số răng, kích thước các trục và chỉ tiêu công trượt riêng của bộ đồng tốc đều được kiểm chứng nằm trong giới hạn an toàn. Đề tài kết hợp thành công phương pháp tính toán giải tích với công cụ mô hình hóa 3D SOLIDWORKS, mang lại giá trị tham khảo học thuật cao cho sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô.