TÍNH TOÁN THIẾT kế hộp số tự ĐỘNG

tính toán thiết kế hộp số tự động trên ô tô du lịch hiện nay,giáo trình môn học thiết kế ô tô trong chương trình cao đẳng và đại học,áp dụng cho sinh viên và người đi làm khi muốn tìm hiểu về hộp số tự động và bố trí thiết kế hộp số

CHƯƠNG 4 : TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỘP SỐ TỰ ĐỘNG

4.1 SƠ ĐỒ CẤU TRÚC TIấU BIỂU CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC VÀ CÁC PHƯƠNG ÁN

B 2

F 1

2 F

3 B

Hỡnh 4.1 Cơ cấu hành tinh Wilson cú 2 bộ bỏnh răng hành tinh

Chức năng hoạt động của các phanh và ly hợp trên sơ đồ nh- sau :

Ly hợp số tiến (C1) Nối trục sơ cấp và bánh răng bao bộ truyền tr-ớc

Ly hợp số truyền thẳng (C2) Nối trục sơ cấp và bánh răng mặt trời phía tr-ớc và

phía sau

cho chúng quay cả ng-ợc và thuận chiều kim đồng

hồ

cho chúng quay ng-ợc chiều kim đồng hồ khi F1

hoạt động

Phanh số lùi và số (B3) Khoá cần dẫn bộ truyền hành tinh saungăn không

cho chúng quay cả ng-ợc và thuận chiều kim đồng

hồ

Khớp một chiều (F1) Khi B2 hoạt động, nó khoá bánh răng mặt trời phía

tr-ớc và sau găn không cho chúng quay ng-ợc chiều kim đồng hồ

Khớp một chiều (F2) Khoá cần dẫn bộ truyền hành tinh sau ngăn không

cho nó quay ng-ợc chiều kim đồng hồ

4.1.2 Phương ỏn 2 :

Cấu tạo gồm 2 phần :

Phần tr-ớc là bộ truyền tăng với cơ cấu hành tinh Wilson có 2 tỷ số truyền đ-ợc

điều khiển bằng ly hợp khoá C0, phanh B0, đ-ợc ghép song song trong mạch truyền lực của cơ cấu hành tinh

Phần sau là cơ cấu hành tinh simpson gồm dãy hành tinh phía tr-ớc và dãy hành tinh phía sau Hai dãy này đ-ợc diều khiển qua các ly hợp khoá C1, C2, phanh B1, B 2,

B3 và các khớp một chiều F1,F2

B3

F2 1 F

2 B B1

2 C

1 C

0 B

0 C

F0

B P

T

P

B T

Z8 Z7 Z6

Z5 Z4 Z3

Cd3 Cd2

Z2

Z1 Zo Cd1

Trục thứ cấp Trục sơ cấp

Hỡnh 4.2 Cơ cấu hành tinh Wilson cú cú bộ OD

Chức năng hoạt động của các phanh và ly hợp trên sơ đồ nh- sau :

Ly hợp số truyền thẳng

OD (C0)

Nối cần dẫn OD với bánh răng mặt trời

Ly hợp số tiến C1 Nối trục sơ cấp với bánh răng bao tr-ớc

Ly hợp số lùi C2 Nối trục sơ cấp với bánh răng mặt trời tr-ớc và sau Phanh bộ truyền tăng

OD (B0)

Khoá bánh răng mặt trời OD ngăn không cho nó quay theo cả 2 chiều thuận và ng-ợc chiều kim đồng hồ Khớp một chiều OD (F0) Khoá cần dẫn bộ truyền hành tinh OD ngăn không

cho nó quay theo ng-ợc chiều kim đồng hồ

Khớp một chiều F1 Khi B2 đang hoạt động nó khoá bánh răng mặt trời và

ngăn không cho nó quay ng-ợc chiều kim đồng hồ

cho nó quay theo ng-ợc chiều kim đồng hồ

Phanh dải số 1 (B1) Khoá bánh răng mặt trời tr-ớc và sau ngăn không cho

nó quay theo cả 2 chiều thuận và ng-ợc chiều kim

đồng hồ

Phanh số 2 (B2) Khoá bánh răng mặt trời tr-ớc và sau ngăn không cho

nó quay ng-ợc chiều kim đồng hồ khi F1 hoạt động

4.1.3 Phương ỏn 3 :

F 2 1

F

2

C C

C

Trục sơ cấp

Hỡnh 4.3 Cơ cấu hành tinh Wilson cú bộ UD điều khiển bằng cụn và phanh

Chức năng hoạt động của các phanh và ly hợp trên sơ đồ nh- sau :

Ly hợp số truyền

tăng C3

Nối cần dẫn OD với bánh răng mặt trời

Khớp một chiều F1 Khi B2 hoạt động nó khoá bánh răng mặt trời tr-ớc và sau

ngăn không cho nó quay ng-ợc chiều kim đồng hồ

Khớp một chiều F2 Khoá cần dẫn bộ truyền hành tinh sau ngăn không cho nó

quay theo chiều kim đồng hồ

quay ng-ợc chiều kim đồng hồ khi F1 hoạt động

Phanh dải B1 Khoá bánh răng mặt trời tr-ớc và sau ngăn không cho nó

quay theo cả hai chiều thuận và ng-ợc chiều kim đồng hồ

4.1.4 Phương ỏn 4:

Trục sơ cấp F 0

2 C

1 C

1 F

Trục thứ cấp

Hỡnh 4.4 Cơ cấu hành tinh Wilson cú bộ OD điều khiển bằng cụn và phanh

Chức năng hoạt động của các phanh và ly hợp trên sơ đồ nh- sau :

Ly hợp số tiến (C1) Nối trục sơ cấp và bánh răng bao bộ truyền tr-ớc

Ly hợp số truyền thẳng (C2) Nối trục sơ cấp và bánh răng mặt trời phía tr-ớc và

phía sau

cho chúng quay cả ng-ợc và thuận chiều kim đồng

hồ

cho chúng quay ng-ợc chiều kim đồng hồ khi F1

hoạt động

Phanh số lùi và số (B3) Khoá cần dẫn bộ truyền hành tinh sau ngăn không

cho chúng quay cả ng-ợc và thuận chiều kim đồng

hồ

Khớp một chiều (F1) Khi B2 hoạt động, nó khoá bánh răng mặt trời phía

tr-ớc và sau găn không cho chúng quay ng-ợc chiều kim đồng hồ

Khớp một chiều (F2) Khoá cần dẫn bộ truyền hành tinh sau ngăn không

cho nó quay ng-ợc chiều kim đồng hồ

quay theo cả hai chiều thuận và ng-ợc chiều kim

đồng hồ

theo ng-ợc chiều kim đồng hồ

4.2 TÍNH TOÁN CHỌN BIẾN Mễ THUỶ LỰC

4.2.1 Cỏc thụng số cơ bản của biến mụ

4.2.1.1 Hệ số biến mụ thủy lực

MT : Mômen xoắn trên trục tuabin

MB : Mômen xoắn trên trục bánh bơm

Hệ số biến mô thuỷ lực phụ thuộc vào điều kiện làm việc của ôtô khi Khi lực cản chuyển động tăng lên, vận tốc ôtô giảm xuống do đó số vòng quay của trục tuabin giảm xuống dẫn đến MT tăng lên do vậy Kbmtăng lên.Hệ số biến mô Kbm có giá trị lớn nhất khi bánh tuabin bị hãm lại hoàn toàn nghĩa là nT=o Ngược lại khi lực cản giảm

đi, vận tốc của ôtô tăng lên thì hệ số biến mô giảm xuống Vậy tính chất tự động làm việc thay đổi mômen xoắn của biến mô thuỷ lực là do tác động của dòng chất lỏng lên các cánh tuabin bị thay đổi khi số vòng quay thay đổi

4.2.1.2 Tỷ số truyền của biến mô

Tỷ số truyền của biến mô (ibm) là tỷ số giữa số vòng quay của trục bánh tuabin nT

và số vòng quay của trục bơm nB

T T

n M

n M

= Kbm.ibm (4-3)

Trong đó :

NT : Công suất phát ra trên trục bánh tua bin của biến mô

NB : Công suất trên trục bánh bơm của biến mô

Trong đó

 : Hệ số biến đổi mômen tại số vòng quay của bánh tuabin K = 1 1

 : Hệ số biến đổi mômen tại số vòng quay của bánh tuabin n2 T = 0

4.2.2 Lựa chọn biến mô thiết kế

Đặc điểm của xe:

Xe thiết kế hộp số tự động là xe con 5 chỗ Đây là loại xe yêu cầu khắt khe về tính ổn định, độ ổn định, sự êm dịu, khả năng tăng tốc nhanh

Điều kiện làm việc

- Tải trọng của xe luôn luôn thay đổi, không ổn định

- Trong quá trình hoạt động với điều kiện đường xá Việt Nam, động lực học của xe phải thường xuyên thay đổi do địa hình phức tạp, tăng tốc, phanh nhiều lần

Vì vậy mà yêu cầu xe phải có tính năng động lực học tốt, khởi hành, tăng tốc một cách nhanh chóng, êm dịu, phát huy được công suất tối đa và đảm bảo sức tiêu hao nhiên liệu là nhỏ nhất

Yêu cầu và căn cứ để lựa chọn biến mô thuỷ lực:

- Biến mô phải truyền hết được công suất lớn nhất và mômen lớn nhất của động cơ

- Vùng điều chỉnh rộng với hiệu suất cao, nghĩa là phải có hệ số biến mô càng lớn càng tốt, tỷ số truyền ứng với thời điểm khi biến mô thuỷ lực chuyển sang chế độ ly hợp lớn

Qua những phân tích ở trên ta chọn biến mô thuỷ lực hỗn hợp là loại nhạy, một cấp và có chế độ truyền thẳng Như vậy mới đảm bảo được những yêu cầu của xe thiết kế

4.2 3 Tính toán và chọn biến mô thuỷ lực

Chọn kích thước thiết kế của biến mô thuỷ lực được tiến hành trên cơ sở dùng phương pháp “tương tự” Theo phương pháp này, với chế độ “dừng lại” tương ứng khi phanh bánh tuabin biểu diễn các điểm làm việc đồng thời của biến mô thuỷ lực và động cơ ( MB =Me và nB = ne ) thì đường kính thiết kế của biến mô bằng :

Da = 5

2 1

. n b

M



 (4-5)

Trong đó :

M1 : Mômen trên trục vào của biến mô (bánh B), trong trường hợp này ta lấy

M1 =Memax=23,6 (kN.m) là mômen lớn nhất của động cơ phát ra

: Hệ số mômen của biến mô  (ph2/vg2)

 : Trong lượng riêng của dầu biến mô trong buồng công tác, với dầu trong ở đây ta dùng dầu Dixon II có  = 850 (KG/m3)

nb : Số vòng quay tại điểm mà mômen lớn nhất nb (vg/ph)

Thay tất cả vào công thức (4-1) ta có Da

Nhận xét:

Căn cứ vào chủng loại xe mà ta thiết kế hộp số tự động, công suất, mômen của động cơ đặt trên xe, đường kính ngoài Da và tham khảo một số loại biến mô ta chọn được loại biến mô loại nhạy có đường đặc tính không thứ nguyên như đồ thị dưới đây :

Hình 4.5 Đồ thị đặc tính không thứ nguyên của biến mô

4.2.4 Xây dựng đường đặc tính trên trục vào của biến mô

Đường đặc tính trên trục vào của biến mô là đường biểu diễn mối quan hệ giữa mômen trên trục chủ động của bánh bơm M1 theo số vòng quay của nó:

M1 = f(n1, )

Ta có công thức biểu diễn mối quan hệ đó:

M1 = 1. n2.D5 (4-6) Đối với biến mô hỗn hợp loại nhạy do hệ số mômen thay đổi, để xác định được

M1 thì phải xác định được các giá trị 1 Từ đồ thị đặc tính không thứ nguyên của biến

mô ứng với mỗi giá trị của tỉ số truyền ibm ta sẽ xác định được hệ số biến đổi mômen

1 Với những giá trị của 1 này ta tính được trị số mômen ứng với những giá trị khác nhau của số vòng quay của trục biến mô (n1 = ne)

Thay các giá trị của I (giả sử đã có ) vào công thức (4-6) ta có :

Hình 4.6 Đồ thị đặc tính trên trục của biến mô

Nhận xét :

Từ đồ thị ta thấy ứng với từng giá trị của 1 theo tỷ số truyền ibm ta xác định tập hợp đường M1 Khi vẽ đồ thị đặc tính trên trục vào của biến mô M1 và đồ thị đặc tính ngoài động cơ Me cùng một tỷ lệ thì các giao điểm của đương M1và Me là các giao điểm A(n,M) Điểm A là điểm làm việc đồng bộ của động cơ và biến mô thuỷ lực, điểm A là một tập hợp điểm tuỳ theo chế độ tải trọng trong khoảng tỷ số truyền của biến mô thuỷ lực ibm=0  0.91

Tại tỷ số truyền ibm= 0 => A1

Tại tỷ số truyền ibm= 0,2 => A2

Tại tỷ số truyền ibm= 0,4 => A3

Tại tỷ số truyền ibm= 0,6 => A4

Tại tỷ số truyền ibm= 0,75 => A5

Tại tỷ số truyền ibm= 0,91 => A6

Tuy nhiên với biến mô thuỷ lực đặt trên ôtô thì vùng làm việc thường xuyên của biến mô là vùng có hiệu suất là vùng có hiệu suất từ  = 80% cho đến max

Qua đồ thị M1 trên ta thấy tập hợp các điểm Ai là điểm làm việc đồng bộ của động

cơ và biến mô thuỷ lực Các điểm làm việc đồng bộ giữa động cơ và biến mô của biến

mô ta đã chọn phần nào đó đã thoả mãn các yếu tố : Công suất, mômen, tính kinh tế nhiên liệu Nhưng do đặc điểm của xe ta thiết kế nên trong đồ án này điểm làm việc đồng bộ tại trị số  = 80% đến  = 91% thì điểm A tưong ứng với điểm thiên về mômen khi đó sẽ tận dụng được lực kéo

4.2.5 Xây dựng đường đặc tính trên trục ra của biến mô

Đặc tính trên trục ra của động cơ và biến mô chính là đặc tính ngoài của động cơ mới mà ta sẽ dùng đặc tính này để xây dựng đặc tính kéo của ôtô

Từ những giao điểm A=i ta xác định được trị số M và số vòng quay n của trục chủ động của biến mô tương ứng với các tỷ số truyền i đã chọn

Theo đường đặc tính không thứ nguyên của biến mô, với những giá trị i đã xác định ta sẽ tìm được các giá trị của M,n và  Với những thông số này ta sẽ xác định được các đại lượng n2, M2, N2 tương ứng theo các công thức sau đây :

n2 =i n1 (4-7)

M2 =M.Kbm (4-8)

N1 = M.n (4-9)

N2 = N1. (4-10) Từ những sụ́ liợ̀u trờn ta lọ̃p được bảng các giá trị và đụ̀ thị đặc tính trờn trục ra của đụ̣ng và biờ́n mụ có nghĩa là biờ̉u thị mụ́i quan hợ̀ sau :

M2 , N2 = f(n2)

Đụ̀ thị thị đặc tính quy dõ̃n trờn trục ra của biờ́n mụ

Hỡnh 4.7 Đồ thị đặc tớnh trờn trục ra của biến mụ

Trờn cơ sở biờ́n mụ thuỷ lực đã chọn ta xõy dựng được đường đặc tính trờn trục

ra của biờ́n mụ Đõy là những sụ́ liợ̀u cơ bản cho viợ̀c tính toán các phõ̀n còn lại sau này Ta có thờ̉ coi sự kờ́t hợp của biờ́n mụ thuỷ lực và đụ̣ng cơ như là mụ̣t đụ̣ng cơ mới, các sụ́ liợ̀u tính toán cho phõ̀n tiờ́p theo dựa trờn các sụ́ liợ̀u của đụ̣ng cơ mới đờ̉ tính toán Trong trường hợp ở tay sụ́ truyờ̀n tăng tức là khi biờ́n mụ thuỷ lực đã được nụ́i cứng thì cụng suṍt, mụmen lṍy theo giá trị của đụ̣ng cơ cũ đặt trờn xe

4.3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÁC BỘ TRUYỀN HÀNH TINH

4.3.1 Sơ đồ cṍu trỳc và tải trọng tính toỏn

Ta có sơ đồ động học của hộp số :

0 F

C 0

C 1

F 1 2 F

3 B

Hỡnh 4.8 Sơ đồ tớnh toỏn bộ hành tinh

4.3.1.1 Xác định tỷ số truyền của truyền lực chính i 0

Tỷ số truyền của truyền lực chính i0 đ-ợc xác định từ điều kiện đảm bảo cho ôtô

đạt đ-ợc vận tốc cực đại ở tay số cao nhất của hộp số cơ khí khi xe chở đầy tải Ta có công thức xác định tỷ số truyền của truyền lực chính :

n r

h

v

b (4-11)

Trong đó :

i0 : Tỷ số truyền của tryền lực chính

ih : Tỷ số truyền của hộp số ở tay số cao nhất Với ph-ơng án đã chọn thì tỷ số truyền cao nhất ứng với tay số OD có tỷ số truyền bằng 0.9

nv : Số vòng quay của động cơ khi ôtô đạt vận tốc lớn nhất

vmax : Vận tốc cực đại của xe (km/h)

rb : Bán kính làm việc trung bình của bánh xe chủ động

4.3.1.2 Xác địng tỷ số truyền của hộp số ở tay số 1

Tỷ số truyền ở tay số 1 cần phải chọn sao cho lực kéo tiếp tuyến phát ra ở các bánh

xe chủ động của ôtô có thể khắc phục đ-ợc lực cản tổng cộng lớn nhất của mặt đ-ờng

Từ ph-ơng trình cân bằng lực kéo khi ôtô chuyển động ổn định ta có :

Pkmax ≥ ψmax.G + W.v2 (4-12) Khi ôtô chuyển động ở số 1 thì vận tốc của nó nhỏ, do đó ta có thể bỏ qua lực cản của không khí Nh- vậy:

Pkmax ≥ ψmax.G (4-13) Khi đó :

ih1 ≥

t

b

i M

r G





0 2

max

(4-14) Trong đó :

G : Trọng l-ợng của xe khi đầy tải

ψ : Hệ số cản tổng cộng của đ-ờng

ψ = f + tgθ

rb : Bán kính làm việc trung bình của bánh xe chủ động

i0 : Tỷ số truyền của truyền lực chính

M2 : Mômen phát ra tại trục ra của biến mô ( trục bánh tuabin)

ηt : Với ôtô du lịch ta có ηt = 0,9

Mặt khác lực kéo tiếp tuyến lớn nhất phát ra tại bánh xe chr động Pkmax bị hạn chế bởi điều kiện bám :

Pkmax ≤ m Gφ.φ (4-15) Hay :

b

t h

r

i i

≤ Gφ.φ (4-16) Nh- vậy theo điều kiện bám thì tỷ số truyền ở số 1 đ-ợc chọn :

ih1 ≤

t

b

i M

r G







.

0 2

(4-17) Trong đó :

Gφ : Trọng l-ợng bám của xe

Gφ = m.G2

G2 : Trọng l-ợng phân ra cầu sau khi xe đủ tải

( Với ôtô du lịch cầu tr-ớc và cầu sau đ-ợc phân bố đều tải trọng)

m : Hệ số phân bố tải trọng m = 1.3

φ = 0.8 : Hệ số bám của đ-ờng

Nh- vậy ihi cần phải thoả mãn 2 điều kiện trên Ta chọn ih1 để tính toán tỷ số truyền của các tay số trung gian

4.3.1.3 Xác định tỷ số truyền của các tay số trung gian

Theo ta đã phân tích ở trên và theo ph-ơng án thiết kế hộp số hành tinh, với hộp số

đã chọn với dãy số D có 4 số tiến trong đó số 4 là số truyền tăng và có một số lùi

ở đây ta chọn hệ thống tỷ số truyền các tay số trung gian của hộp số theo cấp số nhân Dựa trên cơ sở sử dụng công suất trung bình khi làm việc ở chế độ toàn tải là không thay đổi trong qua trình gia tốc

Công bội của cấp số nhân:

q = 1

1

−

n h

i

Nh- vậy ta có tỷ số truyền của tay số 2 là :

ih2 = i 1

Vậy ta có hệ thống tỷ số truyền của hộp số nh- sau :

Tỷ số truyền của tay số 1 : ih1

Tỷ số truyền của tay số 2 : ih2

Tỷ số truyền của tay số 3 : ih3

Tỷ số truyền của tay số 4 : ih4

Tỷ số truyền của tay số lùi : ilùi = 1,1 ih1

4.3.1.4 Ph-ơng trình động lực hoc của bộ truyền hành tinh cơ sở