Đồ án kỹ thuật Đại học Bách Khoa Hà Nội

Các thông số tham khảo của xe cứu hỏa Dựa trên xe tải 1 tấn 1.2Ưu nhược điểm So với động cơ đốt trong, động cơ điện có nhiều ưu điểm và có thể trở thành nguồn động lực phổ biến trên các

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

****************

THUYẾT MINH ĐỒ ÁN KỸ THUẬT

Đề tài: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỘP SỐ XE CỨU HỎA MINI

Họ và tên: Phạm Đức Anh - 20186096 Nguyễn Đình Đạt - 20186099 Lớp : CTTT Kỹ thuật ô tô – K63 Mã HP : TE3090

Giảng viên hướng dẫn : PGS.Nguyễn Thế Lương

Hà Nội, tháng 07 năm 2021

Đề số: 01 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ XE CỨU HỎA ĐIỀU KHIỂN TỪ XA

Hình 1 Sơ đồ xe cứu hỏa

Số liệu cho trước:

1 Loại xe ôtô: Xe cứu hỏa

2 Tải trọng xe: 750 (Kg)

3 Độ dốc lớn nhất của mặt đường mà xe vượt được: αmax = 250

4 Các số liệu còn lại bổ sung trong quá trình tính toán

Nội dung thực hiện

- Xác định tỷ số truyền của hệ thống truyền lực, tính toán lựa chọn truyền lực

- Tính toán trục, tính toán ổ lăn của hộp số

Khối lượng thiết kế:

Mục Lụ

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VÀ PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 3

Bảng 1 Các thông số tham khảo của xe cứu hỏa (Dựa trên xe tải 1 tấn) 4

1.1 Động cơ điện 4

1.2 Ưu nhược điểm 4

1.3 Phân loại 5

***Lựa chọn loại động cơ có từ trở thay đổi (Switched Reluctance Motor): 6

2.1 Hộp số 7

2.2 Hộp số một tỉ số truyền 7

***Lựa chọn phương án thiết kế hộp số 9

CHƯƠNG II TÍNH ĐỘNG HỌC 11

1.1 Xác định công suất 11

1.2 Xác định công suất đối với chỉ tiêu khả năng leo dốc 11

a.Tính toán lực kéo 12

b.Tính toán công suất động cơ 12

1.3 Chọn động cơ điện 13

2.2 Phân bố tỉ số truyền 13

2.3 Tính các thông số trên các trục 16

2.3.1 Tỉ số truyền 16

2.3.2 Tính công suất trên các trục 16

2.3.3 Tính momen xoắn trên các trục 16

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỘP SỐ 18

3.1 Chọn vật liệu 18

3.2 Xác định sơ bộ khoảng cách trục 20

3.3 Xác định số răng, góc nghiêng β và hệ số dịch chỉnh x 21

3.3.1 Cặp bánh răng 1 và 2 21

3.3.2 Cặp bánh răng 3 và 4 27

3.4 Tính thiết kế trục 32

3.4.1 Chọn vật liệu 32

3.4.2 Tính sơ bộ trục 33

3.4.3 Xác định khoảng cách các điểm đặt lực 34

3.4.4 Chọn đường kính các đoạn trục 39

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VÀ PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

Bảng 1 Các thông số tham khảo của xe cứu hỏa (Dựa trên xe tải 1 tấn)

1.2Ưu nhược điểm

So với động cơ đốt trong, động cơ điện có nhiều ưu điểm và có thể trở thành nguồn động lực phổ biến trên các phương tiện di chuyển nói chung và trên ô tô nói riêng trong tương lai

a) Hiệu suất

Động cơ điện có hiệu suất cao hơn nhiều lần so với động cơ đốt trong.Như ta đã biết động cơ đốt trong chuyển hóa nhiệt năng thành cơ năng, trongquá trình làm việc một lượng nhiệt lớn sẽ bị tổn thất cho hệ thống làm mát,

do truyền nhiệt, Chính vì thế hiệu suất của động cơ đốt trong chỉ đạt khoảng từ 30% đến 40% Ngược lại, với quá trình làm việc của động cơ

điện, lượng tổn thất năng lượng do sinh nhiệt không đáng kể nên hiệu suất của động cơ điện có thể lên đến khoảng 90%

b) Đặc tính động cơ

Như ta đã biết, so với động cơ đốt trong thì động cơ điện có đường đặc tính gần với yêu cầu sử dụng thực tế trên xe Động cơ điện có thể khởi động ngay từ tốc độ 0 (rpm) Trong vùng tốc độ thấp, từ khi khởi động đến tốc độ cơ bản (Base speed), momen sinh ra của động cơ lớn nhất và không đổi, phù hợp cho việc tăng tốc và leo dốc Chính vì thế, hệ thống truyền lực của xe điện thường đơn giản hơn và có thể loại bỏ một số bộ phận không cầnthiết như ly hợp, giảm bớt các cặp bánh răng trong hộp số do không cần nhiều tỉ số truyền

Hình 1.1 Đường đặc tính động cơ đốt trong và động cơ điệnc) Kết cấu

So với động cơ đốt trong, động cơ điện có kết cấu đơn giản hơn rất nhiều do đó kích thước nhỏ gọn và khối lượng cũng giảm đi đáng kể

Tuy nhiên, động cơ điện khi đưa lên phương tiện di chuyển vẫn còn những nhược điểm như giá thành cao và những thách thức trong vấn đề giải quyết nguồn năng lượng cho động cơ

1.3 Phân loại

Khi sử dụng trên xe điện thì các loại động cơ điện phải đáp ứng các yêu cầu:công suất không đổi lớn và mật độ công suất lớn; momen lớn ở tốc độ thấp cho khởi động và leo dốc cũng như công suất lớn ở tốc độ cao để đảm bảo khả năng động học; hiệu suất cao; hiệu quả cao khi sử dụng cho phanh tái sinh; kết cấu gọn,

khối lượng nhỏ, momen quán tính nhỏ; độ tin cậy cao, đáp ứng nhiều điều kiện vậnhành khác nhau; giá thành hợp lý; dễ dàng điều khiển

Một số loại động cơ điện có thể sử dụng cho phương tiện di chuyển: Động

cơ điện một chiều (Brushed DC Motor), động cơ không đồng bộ (Induction Motor – IM), động cơ một chiều không chổi than (Permanent Magnet Brushless DC Motor), động cơ từ trở thay đổi (Switched Reluctance Motor) Sau đây ta phân tíchmột số ưu nhược điểm để chọn ra loại động cơ phù hợp với tiêu chí

***Lựa chọn loại động cơ có từ trở thay đổi (Switched Reluctance Motor):

Ta thấy động cơ có từ trở thay đổi (Switched Reluctance Motor) là loại động

cơ phù hợp và tối ưu nhất cho xe điện Một số nhược điểm của loại động cơ này cóthể dễ dàng khắc phục Chính vì vậy ta chọn động cơ loại này làm nguồn động lực cho xe tham khảo

Cấu tạo: Động cơ từ trở thay đổi có cấu tạo của rotor và stator đều có dạng cực lồi, trên stator có dây quấn tương tự như dây quấn kích từ của động cơ một chiều, rotor chỉ là một khối sắt, không có dây quấn hay nam châm

Hình 1.2 Động cơ từ trở thay đổi

Ưu điểm: Bền vững, cho phép thiết kế ở dải tốc độ rất cao lên tới hàng chục nghìn vòng/phút, dễ điều khiển, đường đặc tính momen – tốc độ rất phù hợp cho

xe điện, vùng công suất không đổi rộng

Nhược điểm: Có nhấp nhô momen điều này dẫn đến khó điều khiển với chất lượng cao, độ ồn lớn.

Hiện nay hộp số trên xe điện rất đa dạng và sử dụng nhiều kiểu truyền động khác nhau, trong đó 3 loại phổ biến nhất có thể kể đến như: hộp số một tỉ số

truyền, hộp số hai tỉ số truyền và hộp số hành tinh

2.2 Hộp số một tỉ số truyền

Đây là loại hộp số có cấu tạo đơn giản và được sử dụng phổ biến trên xe điện hiện nay, một số loại xe có thể kể tới như: Tesla Model 3, Volkswagen ID.3

Hình 1.3 Hộp số một tỉ số truyềnCấu tạo của hộp số một tỉ số truyền được thể hiện khái quát qua hình 1.4

Hình 1.4 Hộp số một tỉ số truyềnCác phần chính trong hộp số 2 cấp một tỉ số truyền bao gồm: trục vào (1) được nối từ động cơ điện, cặp bánh răng ăn khớp của hai trục sơ cấp và trục trung gian, cặp bánh răng truyền lực chính (2), bộ vi sai côn đối xứng (3) và trục ra (4) được nối với các bán trục

Nguyên lý hoạt động của hộp số loại này rất đơn giản, momen từ động cơ được truyền vào trục sơ cấp, thông qua cặp bánh răng ăn khớp sẽ dẫn động trục

trung gian, momen tiếp tục được truyền qua cặp bánh răng truyền lực chính, qua visai và ra hai bán trục Bộ vi sai có tác dụng giúp hai bán trục có thể quay với tốc độkhác nhau, tránh hiện tượng trượt khi quay vòng hoặc lực cản không cân bằng tại hai bên bánh xe.

***Lựa chọn phương án thiết kế hộp số

Từ các loại hộp số đã nêu trên, và dựa vào nhu cầu sử dụng thực tế của xetham khảo, ta chọn phương án thiết kế là loại hộp số một tỉ số truyền

Hình 1.5 Sơ đồ hộp số 2 cấp một tỉ số truyền

Do tốc độ xe không quá cao, và để dễ gia công chế tạo ta lựa chọn bánh răngtrên trục sơ cấp, trục trung gian và cặp bánh răng truyền lực chính là loại bánh răngtrụ răng thẳng

Vi sai dùng trong hộp số là loại vi sai côn đối xứng Những nhược điểm của

bộ vi sai côn đối xứng có thể được khắc phục bằng các phương pháp như: phanh lựa (Selective Braking) và ngắt dòng công suất (Power Flow Cut) Do các phương pháp này đều liên quan đến hệ thống điều khiển nên trong nội dung đồ án ta sẽ không tìm hiểu sâu

CHƯƠNG II TÍNH ĐỘNG HỌC

1.1 Xác định công suất

Khi tính toán nguồn động lực trên xe ô tô, ta thường quan tâm tới 4 chỉ số vận hành chính của xe: vận tốc cực đại, khả năng leo dốc, khả năng tăng tốc và quãng đường xe chạy được trong một lần nạp nhiên liệu

Đối với các loại xe có nguồn động lực là động cơ đốt trong, khi tính toán công suất cực đại, ta chỉ cần quan tâm đến tiêu chí duy nhất là vận tốc cực đại vì vùng công suất cực đại thường rơi vào vùng vận tốc lớn nhất Nhưng đối với động

cơ điện, do công suất không thay đổi nhiều trong quá trình làm việc, momen xoắn động cơ giảm dần khi tốc độ tăng cao dẫn đến tính năng động học của ô tô điện giảm xuống Chính vì vậy trong quá trình tính toán ta phải quan tâm đến 3 tiêu chí

đó là: vận tốc cực đại, khả năng tăng tốc và khả năng leo dốc

Hình 2.1 Đường đặc tính của động cơ điện

1.2Xác định công suất đối với chỉ tiêu khả năng leo dốc

a.Tính toán lực kéo

Giả sử tốc độ leo dốc của xe đạt 5km/h Thời gian thay đổi vận tốc từ 0 lên1,389m/s trong vòng 5s thì ta có:

Gia tốc cần thiết:

a= Δvv Δvt ≈ 0.3 (m/s

2 )

Trong đó:

- a: Là gia tốc của xe (m/s2)

-∆v: Khoảng vận tốc thay đổi (m/s), với ∆v = 1,389 (m/s)

-∆t: Khoảng thời gian thay đổi tốc độ(s), với Δt =5 (s)t =5 (s)

Theo định luận II Newton lực kéo của động cơ cần đạt được là:

F k=M a+G a sinθ ≈3300 NTrong đó:

- θlà góc nghiêng cầu thang = 25o

Khi xe di chuyển lên dốc, trên các bánh động cơ sẽ xuất hiện các lực ma sát lăn với

hệ số ma sát µ=0,025 Do đó lực kéo của các bánh động cơ cần lớn hơn lực cản lăn xuất hiện trên các bánh động cơ:

F R=G a cosθ µ=170 N

b.Tính toán công suất động cơ

Để đảm bảo thiết kế của xe không bị thay đổi quá nhiều thì bánh động cơ điệnđược dùng để thay thế cần phải có kích cỡ tương đương hay kích cỡ không bị thayđổi quá nhiều Để đảm bảo thì em nghiên cứu chọn kích cỡ bánh động cơ trongkhoảng d = 400 mm Do đó, dựa vào công thức tính moment, moment cần thiết củađộng các bánh động cơ là:

Mk = F k.R = 3300.0,2 = 660 (Nm)

Do đó, công suất cần thiết trên 2 bán trục cần phải đạt được là:

1.3 Chọn động cơ điện

Do lắp giữa bánh xe và động cơ là hệ thống truyền lực nên công suất truyền từđộng cơ tới bánh xe sẽ có tổn thất do hiệu suất của hệ thống truyền lực Vì thếcông suất động cơ điện cần chọn được tính theo công thức:

P dc=P

Trong đó: - P là công suất sinh ra tại bánh xe (W)

- η là hiệu suất của hệ thống truyền lực, ta lấy η = 0,9

Bảng 2 Thông số động cơ điện

Loại động cơ Công suất

(kW)

quay (rpm)

Momen cựcđại (Nm)VOL

Vận tốc cực đại của xe tính theo công thức:

ω bxmax: là vận tốc góc cực đại của bánh xe (rad/s)

Từ đây ta rút ra công thức tính vận tốc góc cực đại của bánh xe:

- Với vmax

= 5(km/h) = 1,39 (m/s)

=>bxmax =v rmaxbx 1,390, 2 6,95(rad s/ )

(1)Mặt khác, vận tốc cực đại của bánh xe cũng được tính theo công thức:

max max

.

30.

e bx

n

rad s i



(2)Trong đó:

- n emax là tốc độ cực đại của động cơ (vòng/phút) = 1500 (rpm)

- i là tỉ số truyền của hệ thống truyền lực, cũng chính là tỉ số truyền của hộp

số

Từ (1) và (2), ta rút ra công thức tính tỉ số truyền của hộp số như sau:

max max

22,6.30 6,95.30

e bx

n



2.3 Tính các thông số trên các trục

2.3.1 Tỉ số truyền

Tốc độ trên trục I:

n I=n dc=1500 (vòng/phút)Tốc độ trên trục II:

n II= n I

1500 4,25=¿ 353 (vòng/phút)Tốc độ trên trục III’, III’’:

n III=n III '= n II

n II → III=

400 5,317=¿ 66 (vòng/phút)

2.3.2 Tính công suất trên các trục

Công suất trên trục động cơ (thực cần – khác với công suất danh nghĩa của động cơ):

P III=P II.0,99.0,97= ¿4060(W)

2.3.3 Tính momen xoắn trên các trục

Tính momen xoắn trên các trục theo công thức:

T i=9,55 106. P i

n i

Trong đó: Pi, ni, Ti tương ứng là công suất, tốc độ quay và momen xoắn trên trục i

Thay số vào công thức ta có:

- Momen xoắn trên trục động cơ:

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỘP SỐ

Thiết kế bộ truyền bánh răng thẳng

▪ Giới hạn bền: σ b 2 = 750 (MPa)

▪ Giới hạn chảy: σ ch 2 = 450 (MPa)

- Vật liệu bánh răng 1,3:

▪ Nhãn hiệu thép: 45

▪ Chế độ nhiệt luyện: tôi cải thiện

▪ Độ rắn HB = 241 ÷ 285 ta chọn HB1 = HB3 = HB2 + 10 = 250

▪ Giới hạn bền: σ b 1 = 850 (MPa)

▪ Giới hạn chảy: σ ch 1= 580 (Mpa)

• N HE, N HE – số chu kỳ thay dổi ứng suất tương đương.

Do đây là bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng:[σ H]sb=min([σ H 1],[σ H 2])=500(MPa)

3.2 Xác định sơ bộ khoảng cách trục

Khoảng cách giữa trục 1,2 được xác định theo công thức:

a w 1=K a(u1+1).3

√ T1K H β

[σ H]2sb u1ψ ba

Trong đó:

- K a : hệ số phụ thuộc vật liệu làm bánh răng: Ka = 49,5 (MPa)

- T1: momen xoắn trên trục chủ động (trục 1), T1 = 28077 (Nmm)

- [σ H]sb: ứng suất tiếp xúc cho phép [σ H]sb = 500 (Mpa)

- K a : hệ số phụ thuộc vật liệu làm bánh răng: Ka = 49,5 (MPa)

- T2: momen xoắn trên trục chủ động (trục 2), T2 = 114545 (Nmm)

- [σH]sb: ứng suất tiếp xúc cho phép [σ H]sb = 500 (Mpa)

3.3 Xác định số răng, góc nghiêng β và hệ số dịch chỉnh x

3.3.1 Cặp bánh răng 1 và 2

a) Mô đun

m= (0,01 ÷ 0,02) a w 1 = 1,2 ÷ 2,4Chọn m=2

[σ H]=[σ H]sb Z R Z v K xH

[σ F]=[σ F]sb Y R Y S K xF

Trong đó:

• [σ H]và [σ F]là ứng suất cho phép sơ bộ đã tính ở mục trên

• Z R: hệ số xét đến độ nhám của mặt răng làm việc Từ dữ liệu trong trang 91

và 92 tài liệu [1] chọn:

Ra = 1,25 ÷ 2,5μm, => m, => Z R = 0,95

• Zv: hệ số xét đến ảnh hưởng của vận tốc vòng, Zv = 1

• K xH: hệ số ảnh hưởng của kích thước bánh răng K xH = 1

• Y R: hệ số ảnh hưởng của độ nhám mặt lượn chân răng Chọn Y R = 1

• Y S: hệ số xét đến độ nhạy của vật liệu với sự tập chung ứng suất Y S = 1,08

d) Kiểm nghiệm bộ truyền bánh răng 1 và 2

Kiểm nghiệm độ bền tiếp xúc:

σ H=Z M Z H Z ∈√2T1K H(u t 1+1)

b w1 u t 1 d2

w 1

≤ [σ H]

• Z M: hệ số kể đến cơ tính vật liệu của bánh răng Z M = 274

• Z H: hệ số kể đến hình dạng của bề mặt tiếp xúc

Z H=√sin(2 a2 tw 1) =1,7

• [σ F 1]] và [σ F 2]là ứng suất uốn cho phép đã tính ở trên

• K F: hệ số tải trọng khi tính về uốn

K F=K Fα K Fβ K Fv

-K Fβ: hệ số kể đến sự phân bố không đều của tải trọng trên chiều rộng vành răng Tra bảng 6.7[1] (trang 98) với ψbd = 0,8 và sơ đồ bố trí 3 đượcK Fβ= 1.24.

- K Fα: hệ số kể đến sự phân bố không đều của tải trọng trên các cặp răng đồng thời ăn khớp K Fα= 1 với răng thẳng

- K Fv: hệ số kể đến tải trọng động xuất hiện trong vùng ăn khớp

Tra phụ lục 2.3[1] (trang 250) với

• Y β: hệ số kể đến độ nghiêng của bánh răng Do răng thẳng Y β = 1

• Y F 1 và Y F 2: hệ số dạng răng Tra bảng 6.18[1] (trang 109) với:

=> Thỏa mãn.

e) Một số thông số khác của cặp bánh răng 1 và 2

Ta có: x1= x2 = 0, bánh răng không dịch chỉnh nên: ∆y = k2 = 0

Đường kính vòng chia:

d1=d w1=42(mm)

d2=d w 2=178(mm)Đường kính đỉnh răng:

Lực hướng tâm F r 1=F r 2=F t 1tanα=1337 tan 20=487 N

=> chiều rộng vành răng: bw3=bw4 = ψba.aw2 = 0,35.208 = 73(mm)

c) Xác định thông số ăn khớp

[σ H]=[σ H]sb Z R Z v K xH

[σ F]=[σ F]sb Y R Y S K xF

Trong đó:

• [σ H]và [σ F]là ứng suất cho phép sơ bộ đã tính ở mục trên

• Z R: hệ số xét đến độ nhám của mặt răng làm việc Từ dữ liệu trong trang 91

và 92 tài liệu [1] chọn:

Ra = 1,25 ÷ 2,5μm, => m, => Z R = 0,95

• Zv: hệ số xét đến ảnh hưởng của vận tốc vòng, Zv = 1

• K xH: hệ số ảnh hưởng của kích thước bánh răng K xH = 1

• Y R: hệ số ảnh hưởng của độ nhám mặt lượn chân răng Chọn Y R = 1

• Y S: hệ số xét đến độ nhạy của vật liệu với sự tập chung ứng suất Y S = 1,08

[σ F 4]=[σ F 2]sb Y R Y S K xF=245.1 1,03 1=250(MPa)

d) Kiểm nghiệm bộ truyền bánh răng 1 và 2

Kiểm nghiệm độ bền tiếp xúc:

σ H=Z M Z H Z ∈√2T2K H(u t 2+ 1)

b w2 u t 2 d2w 3 ≤ [σ H]

• Z M: hệ số kể đến cơ tính vật liệu của bánh răng Z M = 274

• Z H: hệ số kể đến hình dạng của bề mặt tiếp xúc

• [σ F 1]] và [σ F 2]là ứng suất uốn cho phép đã tính ở trên

• K F: hệ số tải trọng khi tính về uốn

K F=K Fα K Fβ K Fv

-K Fβ: hệ số kể đến sự phân bố không đều của tải trọng trên chiều rộng vành răng Tra bảng 6.7[1] (trang 98) với ψbd = 0,8 và sơ đồ bố trí 3 đượcK Fβ= 1.24

- K Fα: hệ số kể đến sự phân bố không đều của tải trọng trên các cặp răng đồng thời ăn khớp K Fα= 1 với răng thẳng

- K Fv: hệ số kể đến tải trọng động xuất hiện trong vùng ăn khớp

Tra phụ lục 2.3[1] (trang 250) với