NGHIÊN cứu ĐỘNG học và ĐỘNG lực học hộp số tự ĐỘNG mô PHỎNG HOẠT ĐỘNG của hộp số

Ngày nay, hộp số tự động được sử dụng trong nhiều dòng xe con, đã khắc phục được vấn đề trên là giảm sự mệt mỏi cho tài xế, hộp số tự động được trang bị trên hệ thống truyền lực của xe l

MỤC LỤC

Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài

Lý lịch cá nhân i

Lời cam đoan ii

Lời c m t iii

Tóm tắt iv

Mục lục v

Danh sách các chữ viết tắt vi

Danh sách các hình vii

Danh sách các b ng viii

Chư ng 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Lý do chọn đề tài 1

1.2 Mục tiêu của đề tài 2

1.3 Nhiệm vụ của đề tài 2

1.4 Giới h n của đề tài 2

1.5 Đối tượng nghiên cứu 3

1.6 Ph m vi nghiên cứu 3

1.7 Phương pháp nghiên cứu 3

1.8 Kế ho ch thực hiện 3

Chư ng 2: C SỞ LÝ THUYẾT 5

2.1 Nguyên lý làm việc chung của hộp số tự động 5

2.2 Biến mô thủy lực 6

2.2.1 Sơ đồ nguyên lý 7

2.2.2 Nguyên lý truyền momen 8

2.2.3 Nguyên lý khuyếch đ i mômen 11

2.3 Các thông số dùng đánh giá mộ biến mô thủy lực 12

2.4 Bộ truyền bánh răng hành tinh 13

2.4.1 Các khái niệm cơ b n 13

2.4.2 Phân lo i bộ truyền bánh răng hành tinh 14

2.4.3 Động học và động lực học bộ truyền bánh răng hành tinh một dãy 17

2.4.3.1.Động học bộ truyền hành tinh một dãy 17

2.4.3.2.Động lực học bộ truyền hành tinh một dãy 19

2.4.4.Quan hệ động học, động lực học bộ bánh răng hành tinh 22

2.4.4.1.Tỉ số truyền 22

2.4.4.2.Mômen khóa, mômen ma sát ly hợp 23

2.4.4.3 Các cơ cấu hành tinh thường dùng trên ô tô 24

2.5 nh hưởng của mômen ma sát ly hợp đến sự truyền mômen 34

2.5.1 Sự trượt của ly hợp nhiều đĩa ma sát 34

2.5.2 nh hưởng của mômen hãm đến bộ truyền hành tinh đơn gi n 36

Chư ng 3: HỘP SỐ TỰ ĐỘNG A140L 42

3.1 Giới thiệu chung về hộp số A140L 42

3.2 Bộ truyền bánh răng hành tinh trong hộp số tự động A140L 42

3.3 nh hưởng của mômen hãm đến tỉ số truyền 46

3.3.1 Trường hợp xét ở tay số 1 46

3.3.1.1 Khi mômen ma sát ly hợp C1 ho t động tốt 47

3.3.1.2 Khi mômen ma sát ly hợp C1 ho t động không tốt và bị trượt 48

3.3.2 Trường hợp xét ở tay số lùi 50

3.3.2.1 Khi mômen ma sát ly hợp C2 và phanh ly hợp B3 ho t động tốt 51

3.3.2.2 Khi mômen ma sát ly hợp C2 ho t động tốt và phanh ly hợp B3 không ho t động 52

3.3.2.3 Khi mômen ma sát ly hợp C2 ho t động tốt và mômen hãm B3 bị gi m và sinh ra sự trượt 53

Chư ng 4: MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG 57

4.1.Thông số tính toán 57

4.2 nh hưởng của mômen khoá C1 đến vận tốc xe ở tay số 1 58 4.3 nh hưởng của mômen khoá B3 đến vận tốc xe ở tay số lùi

khi C2 ho t động tốt 63

4.4 Mô phỏng sự ho t động bằng phần mềm SolidWorks và Simulink Simmechanics trong MatLab 67

4.4.1 nh hưởng của ly hợp C1 ở tay số 1 67

4.4.2 nh hưởng của phanh ly hợp B3 ở tay số lùi 70

Ch ư ng 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 73

5.1 Kết luận 73

5.2 Kiến nghị 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO 74

PHỤ LỤC 75

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

KÝ HIỆU KHOA HỌC

- AT (Automatic Transmission): Hộp số tự động

- ECT (Electronic Controlled Transmission): Hộp số điều khiển điện

- ECU (Electronic Controll Unit): Hệ thống điều khiển động cơ theo chương trình

- R (Return): Tay số lùi

- N (Neutral): Tay số trung gian

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2.1: Dòng truyền công suất trên xe có sử dụng hộp số tự động 5

Hình 2.19: Cách bố trí các nhóm tỷ số truyền trong hộp số ôtô con 29

Hình 2.22: Các trạng thái làm việc ở số 1, 2, 4, R của CCHT kiểu Ravigneaux 33

Hình 2.27: Khi mômen ma sát Mms= 0 38

Hình 3.3: CCHT kiểu Willd của bộ truyền tăng trong hộp số A1140L 45

Hình 3.10: Sơ đồ hoạt động khi sinh ra mômen trượt ở phanh ly hợp B3 54

Hình 3.11: Sơ đồ động khi sinh ra mômen trượt ở phanh ly hợp B3 54

DANH SÁCH CÁC B NG

B ng 2.1: Kiểu CCHT và số lượng số truyền, số lượng phần tử ma sát 15

B ng 2.3: Sơ đồ các khả năng làm việc và ứng dụng của CCHT kiểu Wilson 26

B ng 4.2: Thông số các ly hợp và phanh trong hộp số tự động A140L 57

B ng 4.3: Thông số các phần tử trong bộ truyền bánh răng hành tinh 58

B ng 4.4: Tốc độ góc  ,tỉ số truyền và tốc độ xe phụ thuộc lực FG1 C1 60

B ng 4.5: Tốc độ góc  , tỉ số truyền và tốc độ xe phụ thuộc lực FN2 B3 64

cố Ngày nay, hộp số tự động được sử dụng trong nhiều dòng xe con, đã khắc phục được vấn đề trên là giảm sự mệt mỏi cho tài xế, hộp số tự động được trang bị trên

hệ thống truyền lực của xe là một trong số những hệ thống được khách hàng quan tâm hiện nay khi mua xe ô tô, đặc biệt là thị trư ng Mỹ và các nước Châu Âu vì những tiện ích mà nó mang lại khi sử dụng

Kết cấu và các tay số truyền của hộp số tự động trên xe của mỗi hãng xe là khác nhau, nhưng cấu tạo chung của nó là gồm các cơ cấu bánh răng hành tinh ăn khớp với nhau, việc thay đổi các tỉ số truyền của hộp số phụ thuộc vào phần tử được hãm và các lực mômen hãm trong các bộ truyền hành tinh dưới sự điều khiển của hệ thống thủy lực

Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, hệ thống thủy lực trong hộp số tự động ngày nay gần như được điều khiển bằng điện tử nhưng trong quá trình hoạt động của hộp số luôn có các vấn đề bị ảnh hư ng b i nhiều nhân tố bên ngoài tác động vào Khi xảy ra sự cố vì một lý do nào đó như áp lực dầu yếu, đĩa ma sát của các bộ phận phanh hay ly hợp trong kết cấu của nó bị mòn, lúc này hoạt động của hộp số sẽ không được như ban đầu đồng nghĩa với việc tốc độ xe sẽ bị giảm xuống

do sự cố là sinh ra mômen trượt và mômen hãm sẽ không còn hãm chặt như lúc ban đầu Lúc này, tỉ số truyền của cơ cấu sẽ thay đổi và tốc độ xe sẽ không còn được

học, động lực học của cơ cấu hành tinh, từ đó sẽ tính toán trên lý thuyết ảnh hư ng của các mômen hãm khi bị trượt đến tốc độ của xe

1.2 M c tiêu của đề tƠi

“Nghiên cứu động học và động lực học hộp số tự động – Mô phỏng hoạt động của hộp số” nhằm tạo ra cơ s lý thuyết phục vụ cho việc nghiên cứu, tính toán đến tốc độ xe sử dụng hộp số tự động khi chạy trên đư ng Đề tài nghiên cứu cho thấy tốc độ của xe khi hoạt động bình thư ng và khi xảy ra sự cố qua sự tính toán trên một hộp số tự động cụ thể, sau đó mô phỏng trên phần mềm để thấy được sự ảnh

hư ng khi gặp sự cố trong quá trình của hộp số tự động

1.3 Nhi m v của đề tƠi

Để thực hiện đề tài này thì cần tập trung vào các nhiệm vụ chính sau:

- Nghiên cứu mối quan hệ động học, động lực học của hộp số tự động để tính toán sự thay đổi của tỉ số truyền, mômen của các phần tử trong bộ bánh răng hành tinh

- Tính toán cơ s lý thuyết về sự ảnh hư ng của sự cố xảy ra trong hộp số, cụ thể là lực ép dầu của hệ thống thủy lực bị giảm sẽ ảnh hư ng đến tốc độ xe các tay số

- Tính toán và vẽ đồ thị mô tả tỉ số truyền, tốc độ xe phụ thuộc vào lực ép dầu của mômen ma sát của phanh và ly hợp

- Thiết kế, xây dựng mô hình điều khiển để mô phỏng thấy rằng sự hoạt động của hộp số thay đổi phụ thuộc vào mômen chủ động, mômen hãm của các phần tử trung tâm của các bộ bánh răng hành tinh bằng phần mềm SolidWorks

và Matlab Simulink

- Nhận xét kết quả thu được từ mô hình mô phỏng và rút ra kết luận về sự ảnh

hư ng của mômen ma sát phanh và ly hợp đến tốc độ của xe

1.4 Giới h n của đề tƠi

Vấn đề ảnh hư ng đến tốc độ xe sử dụng hộp số tự động khi gặp sự cố trên thực tế là vấn đề rất phức tạp vì nó chịu nhiều yếu tố tác động khác nhau và phụ thuộc vào các trạng thái làm việc khác nhau của xe Vì vậy đề tài nghiên cứu chỉ

giới hạn trong việc nghiên cứu ảnh hư ng của lực ép dầu thủy lực làm thay đổi mômen ma sát trong các phanh và ly hợp và làm giảm tốc độ của xe khi lực ép dầu

bị giảm

1.5 Đ i tư ng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hộp số tự động TOYOTA A140L được trang bị trên xe Toyota Camry sử dụng động cơ 3S-FE

1.6 Ph m vi nghiên cứu:

Đề tài nghiên cứu chỉ tính toán các thông số về động học, động lực học của hộp số tự động như bộ biến mô, bộ truyền hành tinh và dựa vào các trạng thái thay đổi các tay số của xe khi chuyển động để mô phỏng sự hoạt động của hộp số tự động phụ thuộc vào lực ép của dầu thủy lực khi gặp sự cố bằng phần mềm hiện có

1.7 Phư ng pháp nghiên cứu

Kết hợp với tham khảo tài liệu sách giáo khoa và trên internet, từ đó tính toán động học và động lực học của một bộ hành tinh đơn giản như xác định tỉ số truyền, mô men hãm phanh, ly hợp, mô men khóa các phần tử bộ bánh răng hành tinh

Từ đó, áp dụng tính toán trên cho bộ bánh răng hành tinh ghép lại tạo nên hộp

số hành tinh, cụ thể đây là hộp số tự động TOYOTA A140L, xác định tỉ số truyền cho từng tay số đặc trưng và ảnh hưỏng của các mô men hãm đến tỉ số truyền của các tay số đó

Cuối cùng, mô phỏng sự hoạt động của hộp số tự động A140L trên phần mềm

2 Xác định đề tài nghiên

cứu, xác định hướng

3 Tìm hiểu, thu thập tài

liệu về vấn đề nghiên cứu X X

4 Viết chương I, II X X X

7 Hoàn chỉnh thủ tục, bảo

vệ luận văn Kết thúc

Chư ng

C S Lụ THUY T

2.1 Nguyên lý lƠm vi c chung của h p s t đ ng

Dòng công suất truyền từ động cơ qua biến mô đến hộp số và đi đến hệ thống truyền động sau đó, cấu tạo đặc biệt biến mô vừa đóng vai trò là một khớp nối thủy lực, là một bộ phận khuyếch đại mô men từ động cơ, vừa là một cơ cấu an toàn cho

Hình 2.1: Dòng truyền công suất trên xe có sử dụng hộp số tự động

2.2 Bi n m thuỷ l c

Hình 2.2: Biến mô thuỷ lực

Bộ biến mô vừa truyền vừa khuyếch đại mômen từ động cơ bằng cách sử dụng dầu hộp số làm môi trư ng làm việc Bộ biến mô bao gồm: cánh bơm được dẫn động bằng trục khuỷu, rôto tuabin được nối với trục sơ cấp, stator được bắt chặt vào vỏ hộp số qua khớp một chiều và trục stator, vỏ bộ biến mô chứa tất cả các bộ phận trên như hình 2.2 Biến mô được nén đầy dầu thủy lực cung cấp b i bơm dầu

* Chức năng của biến mô:

- Tăng mô men do động cơ tạo ra

- Đóng vai trò như một ly hợp thủy lực để truyền hoặc không truyền mô men

từ động cơ đến hộp số

- Hấp thụ các dao động xoắn của động cơ và hệ thống truyền lực

- Có tác dụng như một bánh đà để làm đồng điều chuyển động quay của động cơ

- Dẫn động bơm dầu của hệ thống điều khiển thủy lực

Trên xe có lắp hộp số tự động bộ biến mô thủy lực cũng có tác dụng như một bánh đà của động cơ Do không cần có một bánh đà nặng như vậy trên xe có hộp số thư ng nên xe có trang bị hộp số tự động sẽ sử dụng luôn biến mô thủy lực kèm tấm truyền động có vành răng kh i động dùng làm bánh đà cho động cơ Khi tấm dẫn động quay tốc độ cao cùng biến mô thủy lực trọng lượng của nó sẽ tạo nên sự cân bằng tốt nhằm ngăn chặn các rung động và làm đồng điều chuyển động của động cơ khi hoạt động gây ra

2.2.1 S đ nguyên lý

Hình 2.3 là một ví dụ tương tự nguyên lý làm việc của biến mô thủy lực

Dùng một quạt chủ động quạt gió về phía một quạt bị động giống như thế đặt đối diện, gần sát và đang trạng thái đứng yên Sau một quãng th i gian ngắn quạt bị động bắt đầu quay theo quạt chủ động và chiều quay của cả hai là cùng nhau Giả sử

ta dùng một ống hồi gió về như hình minh họa để lấy nguồn gió sau khi thổi qua quạt bị động quay tr lại thổi tiếp tục vào quạt chủ động thì năng lượng mà quạt chủ động cần dùng để thổi cho quạt bị động quay ngay sau đó sẽ giảm hơn so với ban đầu

Nói một cách khác, việc truyền công suất giữa hai quạt được thực hiện nh môi trư ng không khí Biến mô cũng làm việc như vậy, bánh bơm đóng vai trò quạt chủ động, bánh tuabin đóng vai trò quạt bị động và ống hồi gió đóng vai trò gần giống với bánh phản ứng Môi trư ng làm việc đây là dầu thủy lực là một chất lỏng không chiụ nén nên khả năng truyền công suất sẽ tốt hơn môi trư ng không khí rất nhiều

Hình 2.3: Ví dụ truyền công suất của biến mô thuỷ lực

2.2.2 Nguyên lý truyền mô men

R

2

R1

và quay với tốc độ góc wt Các bánh nằm trong một vành xuyến khép kín gọi là buồng công tác và được nạp đầy dầu thủy lực có áp suất dư Hình dạng buồng công tác đảm bảo tổn thất năng lượng ít nhất, khi chất lỏng chuyển từ bánh này sang bánh khác

Nguyên lý làm việc của biến mô men thủy lực dựa trên cơ s của định luật biến thiên mô men động lượng và được giải thích dựa trên hình 2.4 Tại điểm dòng dầu đi vào bánh bơm, tốc độ dòng chất lỏng trung bình, biểu diễn bằng đư ng chấm gạch có giá trị tuyệt đối là vb1 Tốc độ này có thể phân tích thành hai thành phần: tốc độ vòng hay còn gọi là tốc độ theo ub1 và tốc độ tương đối wb1

Sau khi đi vào bánh bơm, chất lỏng chuyển động theo profin cánh dẫn đi từ tâm ra mép ngoài Dòng chất lỏng có tốc độ là vb2  ub2  wb2 Khi chuyển động

từ trong ra ngoài bánh bơm trong vòng lưu thông, năng lượng và động lượng của dòng chất lỏng tăng lên nh mô men truyền cho bánh bơm từ trục khuỷu động cơ

Hiệu mô men động lượng của chất lỏng đối với trục quay của bánh bơm khi đi vào

và đi ra khỏi nó chính bằng mô men trên trục bánh bơm và xác định theo biểu thức:

- Khối lượng chất lỏng chảy qua bánh bơm trong một giây

R1, R2 - Bán kính bánh công tác điểm vào và điểm ra của chất lỏng trên quỹ

đạo trung bình



, - Góc tương ứng giữa các vec-tơ tốc độ tuyệt đối vb1, vb2 và các tốc độ

theo ub1, ub2

Trong giai đoạn khuyếch đại mômen khi dòng chất lỏng đi ra khỏi bánh bơm

ta xem như dòng chất lỏng đi ngay vào bánh tuabin Vì giữa bánh bơm và bánh tua bin không có bánh phản ứng nên động năng của dòng chất lỏng khi ra khỏi bánh bơm và vào bánh tua bin không thay đổi, nhưng vận tốc tuyệt đối của dòng chất lỏng khi ra khỏi bánh tua bin sẽ thay đổi chiều (do hình dạng của bánh tua bin)

Điều này có nghĩa là khi đi từ ngoài vào trong, chất lỏng truyền cho tua bin một mômen bằng về trị số với mômen trên trục bánh bơm Mặc khác theo định luật biến thiên mômen động lượng thì mômen tác dụng lên bánh tua bin cũng chính bằng hiệu mômen động lượng của chất lỏng đối với trục quay tua bin khi đi vào và

ra khỏi nó, do đó :

M t M bmR2v b2cosR1v t1cos (2.2)

 - Góc giữa u t1và w t1 tại điểm ra của bánh tuabin

Khi ra khỏi bánh tuabin, dòng chất lỏng chảy qua bánh phản ứng thông qua khớp một chiều tác dụng lên dòng chất lỏng này một mô men Mp cùng hướng với

mô men Mb và có giá trị bằng:

M pmR1v b1cosR1v t1cos (2.3)

So sánh các biểu thức (2.1), (2.2) và (2.3) ta thấy rõ rằng:

M = M + M (2.4)

Khi tốc độ quay của bánh bơm nb = const (giữa bánh tuabin và bánh bơm đạt

sự cân bằng về tốc độ và mômen) sự tăng tải trọng tác dụng lên trục bánh tuabin làm giảm tốc độ quay nt của bánh tuabin, ngay th i điểm tức th i sau đó vì bánh bơm vẫn cung cấp dòng dầu có năng lượng và lưu lượng như cũ sẽ làm tăng ngay lưu lượng dòng dầu qua bánh tuabin, điều này giúp cho bánh tuabin tiếp nhận thêm năng lượng để bù vào năng lượng tiêu hao do tăng tải trọng, nhưng ngược lại sự tiếp nhận thêm năng lượng này từ bánh tuabin cũng làm mất đi một phần năng lượng do trục khuỷu cung cấp cho bánh bơm tức là sẽ làm cho bánh bơm giảm tốc độ Nếu không có sự điều chỉnh tay ga từ ngư i lái tín hiệu tăng tải và đi kèm giảm tốc độ của xe có thể làm hộp số chuyển về tỷ số truyền lớn hơn cho đến khi đạt tr lại sự cân bằng

Tương tự với trư ng hợp tải trọng tác dụng lên trục bánh tuabin giảm xuống, tốc độ bánh tuabin sẽ tăng lên, lập tức lưu lượng dầu đi qua bánh tuabin giảm xuống Điều này làm cho công suất bánh bơm cung cấp tr nên lớn hơn mức cần thiết và làm cho tốc độ bánh bơm tăng lên để đạt lại sự cân bằng Trong giới hạn tải trọng và mômen của tay số hiện tại không đáp ứng được sự hiệu chỉnh để đạt sự cân bằng thì hộp số sẽ tự động chuyển số

2.2.3 Nguyên lý khuy ch đ i m men

Hình 2.5: Đư ng đi của dòng chảy trong biến mô

Khi biến mô chế độ khuyếch đại mômen, biến mô sử dụng năng lượng còn

lại của dòng dầu sau khi đi qua tuabin và bánh phản ứng tiếp tục tác động vào cánh bơm bằng cách nh vào tác dụng chuyển hướng của bánh phản ứng thay đổi hướng

va đập của dòng dầu quay về vào sau cánh bơm như hình 2.5 Bánh phản ứng khóa cứng với vỏ của biến mô men thủy lực nên dòng chất lỏng không trao đổi năng lượng với nó, nghĩa là trong bánh phản ứng chỉ có biến đổi áp năng thành động năng Động năng có được này sẽ truyền cho bánh bơm khi dòng dầu quay về bánh bơm Vì vậy mô men quay trên trục bánh tuabin có được sẽ lớn hơn mômen trên trục bánh bơm tại cùng một th i điểm

Nếu bánh phản ứng quay tự do thì mô men xoắn của trục chủ động truyền cho trục bị động không thể tăng được Khi đó biến mô men thủy lực làm việc như ly hợp thủy động

M t: Mô men bánh tua bin có được (N.m)

M b: Mô men bánh bơm cung cấp (N.m)

 - Trọng lượng riêng của chất lỏng (N/m3

)

nb, nt - Số vòng quay của bánh bơm và bánh tuabin (vg/ph)

D - Đư ng kính lớn nhất trên đĩa bơm (m)

 Hệ số biến mô men

Là tỷ số giữa mô men quay tác dụng lên trục bánh tuabin với mô men quay tác dụng lên trục bánh bơm

t

n

n M

M K

Nt - Công suất trên trục tuabin

Nb - Công suất trên trục bánh bơm

 - Hiệu suất biến mô

n

n K n M

M N

N

b t b

b

t t b

n

n n

2.4 B truyền bánh răng hƠnh tinh

Bánh răng có trục hình học chuyển động được gọi là bánh răng hành tinh Bánh răng hành tinh có thể có một hay một số vành răng hoặc gồm một số bánh răng ăn khớp với nhau

Khâu mà trên đó bố trí trục của các bánh răng hành tinh được gọi là cần dẫn và

thư ng ký hiệu là h

Bánh răng mà trục hình học của nó trùng với trục chính của cơ cấu được gọi là

bánh răng trung tâm và thư ng ký hiệu là k

Khâu tiếp nhận mômen ngoại lực hay truyền tải trọng và là khâu trung tâm được gọi là khâu chính của cơ cấu hành tinh

Ký hiệu cơ cấu hành tinh tương ứng với các khâu chính của nó Cơ cấu hành tinh mà trong đó khâu chính là hai bánh răng trung tâm và một cần dẫn được ký hiệu là

2.4.2 Phân lo i b truyền bánh răng hƠnh tinh

 Phơn lo i theo s b c t do

Để nhận được một tỷ số truyền hoàn toàn xác định, trong HSHT lúc đó chỉ có

thể có một bậc tự do Các bậc tự do còn lại phải được loại từ bằng liên kết cứng Do vậy số bậc tự do trong cơ cấu bằng số liên kết cứng cộng với 1 Nên CCHT để có một số truyền cần phải đóng một phanh dải hoặc một ly hợp khoá, tức là phải tạo nên một liên kết cứng, thì như vậy cơ cấu đó sẽ có hai bậc tự do

Trong hộp số hành tinh 4, 5 bậc tự do, để nhận được một tỷ số truyền phải có

3, 4 liên kết đồng th i tác động, được trình bảy bảng 2.1

B ng 1: Kiểu CCHT và số lượng số truyền, số lượng phần tử ma sát

B ng 2: Kiểu CCHT và dãy số CCHT, số lượng phần tử ma sát

 Phơn lo i theo đặc tính ăn khớp

Hình 2.7: Các dãy CCHT cơ bản Theo đặc tính ăn khớp cơ cấu hành tinh có thể phân ra:

- Dãy hành tinh ăn khớp trong ,ngoài và hỗn hợp Loại này có ưu điểm là nhỏ gọn, độ bền cao dùng phổ biến trên ôtô (hình 2.7a)

- Dãy hành tinh ăn khớp ngoài, loại này chỉ dùng cho các hộp số cơ khí có tốc

độ thấp, trên ôtô không hay dùng vì lý do hiệu suất thấp (hình 2.7b)

 Phơn lo i theo k t cấu

Theo kết cấu, cơ cấu bánh hành tinh có thể chia ra:

- Loại dùng bánh răng trụ răng thẳng hoặc răng nghiêng (hình 2.7a và 2.7b) Loại này dùng chủ yếu trong hộp số hay truyền lực bánh xe

- Loại dùng bánh răng côn (hình 2.7c và 2.7d)

Dãy hành tinh dùng bánh răng côn thư ng sử dụng trong cụm vi sai giữa các bánh xe (hình 2.7c hay giữa các cầu (hình 2.7d)

 Phân lo i theo s khơu

Hình 2.8: Dãy CCHT ba khâu (a, b) và 4 khâu (c)

Nếu coi bánh răng hành tinh chỉ là khâu liên kết thì CCHT có thể chia ra các loại: ba, bốn hay năm khâu

Bộ truyền hành tinh một dãy loại 2k-h có ba khâu cơ bản N (bánh răng bao),

M (bánh răng mặt tr i), G (cần dẫn) là bộ truyền đơn giản nhất Trên hình 2.8a và 2.8b là các bộ truyền ba khâu

Các cơ cấu hành tinh loại bốn khâu thể hiện trên hình 2.8c

Loại năm khâu ít dùng, vì khi tăng số khâu dẫn tới tăng số bậc tự do của cơ cấu, đồng th i để đáp ứng các tỷ số truyền xác định đòi hỏi giải pháp công nghệ phức tạp, làm tăng cao giá thành

2.4.3 Đ ng h c vƠ đ ng l c h c b truyền hƠnh tinh m t dãy

2.4.3.1 Đ ng h c b truyền hƠnh tinh m t dãy

Quan hệ động học giữa các phần tử của một dãy hành tinh có thể xác định bằng phương pháp đồ thị hay giải tích

Phương pháp đồ thị dựa trên việc xây dựng họa đồ vận tốc của các khâu, thuận tiện để nghiên cứu sơ đồ cấu trúc của bộ truyền, nhưng chỉ cho kết quả gần đúng khi xác định các tỷ số truyền dựa theo hình 2.9

Hình 2.9: Mô tả cấu trúc và các quan hệ động học, động lực học

a - Giản đồ tốc độ; b - Sơ đồ CCHT 2HK; c - Quan hệ động lực học

Khi dùng phương pháp giải tích, ta coi cần dẫn đứng yên và xác định tỷ số truyền giữa các bánh răng trung tâm theo công thức:

)/(

)(

)/(

- Tốc độ góc và số vòng quay của các khâu tương ứng

Do cần dẫn được xem là đứng yên, nên G

MN

i hoàn toàn có thể được tính theo các công thức đã biết (Willis) đối với bộ truyền có các trục cố định:

p

z

z r

r i

M N M

N G

MN      (2.11)

Thông số p được gọi là thông số động học của dãy hành tinh p là một đại lượng đại số nên phải chú ý đến dấu của nó khi xây dựng và sử dụng công thức Nếu chiều quay của các bánh răng trùng nhau khi cần dẫn đứng yên thì p dương, nếu ngược lại thì p có giá trị âm

Thay i MN G  p vào biểu thức (2.10) ta nhận được phương trình động học cơ bản của cơ cấu hành tinh 3 khâu:

M pN  ( 1 p)G hay n M pn N  ( 1 p)n G (2.12)

Trong nhiều trư ng hợp, ngư i ta sử dụng thông số k = - p thay cho p, khi đó phương trình (2.12) có dạng:

M kN  ( 1 k)G hay n M kn N  ( 1 k)n G (2.13)

Theo phương trình này ta có thể xác định tốc độ góc của một khâu chính khi

đã biết tốc độ góc của 2 khâu còn lại và tỷ số truyền giữa chúng

Giá trị p của dãy bị hạn chế b i kích thước của bánh răng hành tinh và của kích thước chung Thư ng thư ng p nằm trong giới hạn từ 1,5 đến 4

Khi sử dụng phương pháp đồ thị, có thể sử dụng giản đồ tốc độ của dãy hành tinh vẽ trên giấy kẻ ly theo tỷ lệ xích nhất định

Giả sử xây dựng giản đồ tốc độ khi M là khâu chủ động và bánh răng N bị phanh lại (v N 0)

Xác định tốc độ v M tại điểm ăn khớp của bánh răng M và bánh răng hành tinh qua số vòng quay n M từ công thức:

30

s m r

đây: n M - Số vòng quay của bánh răng M, (vg/ph)

Đặt Om trên trục đứng theo giá trị bán kính của bánh răng M từ điểm m đặt vec tơ tốc độ v M và xác định điểm C Đoạn Om, mc xác định theo tỷ lệ xích đã chọn Khi v N 0 ta có điểm n nằm ngay trên trục đứng Om Nối nc Tại d ta có thể

xác định tốc đồ của giá hành tinh (cần dẫn) G là v G Đư ng nc biểu thị quan hệ của tốc độ v M với tốc độ v G của cần dẫn khi v N 0

Việc xác định số vòng quay tương đối của bánh răng hành tinh (tức là sự tự quay của bánh răng trên ổ) có ý nghĩa cho việc đánh giá và chọn ổ cũng như để tính toán hiệu suất bộ truyền







p n n

n HT M G (2.17)

- Khi bánh răng M là chủ động, bánh răng N là bị động:

1

2)

n

n HT M N (2.18)

Các công thức trên dùng để tính n HT khi biết thành phần n M, n N, n G và p Các

bộ truyền khác cũng có thể tiến hành theo các bước như trên

2.4.3.2 Đ ng l c h c b truyền hƠnh tinh m t dãy

Các lực và mô men tác dụng lên các phần tử của dãy hành tinh được xác định

từ điều kiện cân bằng các mômen ngoại lực Nếu bộ truyền có 3 khâu chính và bỏ qua ma sát, thì khi chuyển động ổn định (quay đều) có thể viết:

Các mômen ngoại lực có hướng ngược với hướng của các nội lực

M M

N M N M G

n r

M F F F F F

F   ;  ;  (2.20)

đây: n p - Số lượng bánh răng hành tinh đồng th i ăn khớp

Khảo sát điều kiện cân bằng bánh răng hành tinh dựa theo hình 2.10, ta viết được quan hệ mômen trên các khâu:

M G

F lt m ltG2r G (2.22)

đây

m lt - Khối lượng bánh răng hành tinh quay tương đối đối với cần dẫn

Lực ly tâm này khi G lớn, có thể lớn hơn nhiều lần so với lực tác dụng tại điểm ăn khớp của các bánh răng Do vậy, bánh răng, trục và ổ của nó phải có độ cứng vững cao, kích thước và trọng lượng càng nhỏ càng tốt Cần dẫn là bộ phận

quyết định đến tính chất chịu tải của các bánh răng hành tinh, nó thư ng được chế tạo dạng khối liền hay là có hai mặt bích lớn để tránh đặt công xôn cho trục bánh răng hành tinh

Đối với cơ cấu ba khâu, phương trình mômen khi tính đến các tổn thất có thể viết:

)

N M

o M N

p

M M

hay pM

o - Hiệu suất cơ cấu khi cần dẫn đứng yên

Thế biểu thức này vào phương trình (2.19) ta được:

M M M GpM Mo  0

Do đó:

) ( ) 1

N o

G M

p

M p

M M

G G G

)1(

)1(

o 

  ,

đây: a vab - Hiệu suất các bánh răng ăn khớp ngoài và ăn khớp trong tương ứng: a  0 , 98vab  0 , 99

Khi xác định hiệu suất o chú ý rằng chỉ tính đến các tổn thất trong chuyển động tương đối của các răng mà không tính đến các tổn thất trong chuyển động theo (tổn thất trong các ổ đỡ), tổn thất thuỷ lực và tổn thất trong các phần tử ma sát trạng thái m

2.4.4 Q uan h đ ng h c, đ ng l c h c b bánh răng hƠnh tinh

2.4.4.1 T s truyền

Khi muốn khoá một phần tử của CCHT đối với vỏ, cần phải tác động mômen ngoại lực hay còn gọi là mômen khoá vào cơ cấu được thể hiện trên hình 2.11

Hình 2-11: Mômen tổng quát khoá vào cơ cấu

Trong trư ng hợp tổng quát: đã biết mômen chủ động M cd, mômen bị động

Chiều M , cd M bd xác định như trên hình 2-18

Với công thức xác định tỷ số truyền:

cd

bd i

 cd i

M (2.30)

Cơ cấu tạo mômen khoá có thể là phanh hay ly hợp khoá Khi không có điều kiện bố trí phanh dải (vì lý do kết cấu không cho phép dễ dàng điều chỉnh trong sử dụng) có thể dùng phanh dạng ly hợp, khoá giữa một khâu với vỏ hộp số

2.4.4.2 Mômen khoá, mômen ma sát ly h p

Đối với cơ cấu hành tinh một dãy có 3 phần cơ bản M, N và G loại 2k-h, khi làm việc có thể khoá 2 phần tử lại với nhau Như vậy mômen khoá này là nội lực của cơ cấu, thể hiện hình 2.12 dưới đây

Hình 2.12: Xác định các giá trị tải trọng của cơ cấu khóa

a - Khi N khoá với G; b - Khi M khoá với G; c - Khi M khoá với N;





Quá trình chuyển số thực chất là sự chuyển đổi trạng thái làm việc của cơ cấu

Do vậy, ngoài các giá trị mômen tính toán nói trên, cần thiết để ý đến các mômen quán tính Nếu sự biến đổi trạng thái xảy ra đột ngột, nhất là khi thay đổi cả chiều quay của phần tử khoá, thì cần bố trí thêm khớp một chiều Khớp này đặt song song với ly hợp khoá, đảm bảo là cơ cấu an toàn cho ly hợp khoá Mặt khác việc bố trí như thế cho phép thu gọn kích thước của ly hợp khoá mà lại tăng được độ tin cậy của cơ cấu Vì vậy các loại khớp một chiều thư ng được sử dụng nhiều trên ôtô du lịch

2.4.4.3 Các c cấu hƠnh tinh thư ng dùng trên t

Cấu tạo của hộp số hành tinh dùng trên ôtô và các phuơng tiện giao thông khá phức tạp Nó được tạo thành từ các CCHT cơ bản hoặc từ các cơ cấu hành tinh tổ hợp

Trên ôtô, nhất là ôtô du lịch thư ng dùng ba dạng CCHT điển hình sau đây

 Cơ cấu hành tinh kiểu Wilson

 Cơ cấu hành tinh kiểu Wilson kiểu đơn giản

 Sơ đồ cấu tạo

CCHT kiểu Wilson là bộ truyền hành tinh 1 dãy đơn giản, gồm các bánh răng

ăn khớp hỗn hợp (trong và ngoài) và ba trục Các chi tiết bao gồm: một bánh răng mặt tr i có vành răng ngoài M đặt trên một trục quay, một bánh răng ngoại luân có vành răng trong N đặt trên một trục quay khác đồng tâm với trục quay của M, các bánh răng hành tinh nằm giữa M và N và ăn khớp đồng th i với M và N (với M ăn khớp ngoài, với N ăn khớp trong), trục của các bánh răng hành tinh nối cứng với nhau trên cần dẫn G và chuyển động quay xung quanh đư ng tâm của M, N, trục của cẫn dẫn G là trục thứ ba của CCHT

Cấu tạo và sơ đồ của CCHT kiểu Wilson được trình bày trên hình 2.13 Như vậy ba trục của cơ cấu cơ cùng đư ng tâm quay và dạng trục lồng, được gọi là

đư ng tâm trục của CCHT, các trục đều có thể quay tương đối đối với nhau Số lượng bánh răng hành tinh có thể là 2, 3, 4 tuỳ thuộc vào kết cấu cụ thể Các bánh răng hành tinh vừa có khả năng quay xung quanh trục của nó vừa có khả năng quay xung quanh trục của CCHT

CCHT Wilson có ba phần tử: M, N, G Bánh răng hành tinh H được coi là khâu liên kết giữa M và N Theo phân tích động học của hộp số, chúng cần có một phần tử chủ động và một bị động Do vậy, để nhận được một tỷ số truyền xác định,

cơ cấu có thể có hai khả năng sau:

- Khoá một phần tử với vỏ hộp số

- Khoá hai phần tử với nhau

Cả hai khả năng đều cho phép: Nếu trục vào có tốc độ quay ổn định thì tốc độ góc của trục ra sẽ ổn định

Hình 2.13: Cấu tạo và sơ đồ CCHT kiểu Wilson

M - Bánh răng mặt tr i; N - Bánh răng ngoại luân; H - Bánh răng hành tinh;

G - Cần dẫn

 Khả năng sử dụng

Khả năng sử dụng của CCHT Wilson được trình bày dưới dạng sơ đồ trạng thái trong bảng 2.3 Trong đó tỷ số giữa số vòng quay trên trục chủ động chia cho

số vòng quay trên trục bị động là tỷ số truyền của CCHT trạng thái đang xét Trong bảng 2.3 cho ta thấy cơ cấu Wilson có thể có 7 trạng thái Phần tử liên kết được hiểu là phần tử nối với vỏ hoặc liên kết giữa hai phần tử với nhau Tỷ số truyền được tính theo công thức:

cd

bd bd

cdM

M n

B ng 2.3: Sơ đồ các khả năng làm việc và ứng dụng của CCHT kiểu Wilson

vao ra ra

vao

M

M n

G G

M

r

r M

M n

M

N G

M M

G

r

r M

M n

3 M N G

M N M

N N

M

r

r M

M n

n    -4<i<1,5 Số lùi

N

M N

M M

N

r

r M

M n

N N G

r

r M

M n

OD

N M N

G G

N

r

r M

M n

Số truyền thẳng

- Trạng thái 1 có thể là số 1 (hình 2.14) với i = 2,55,0 (số truyền rất chậm)

Hình 2.14: Sơ đồ gài số 1

- Trạng thái 3 (hình 2.15) có thể là số lùi i = -(4,01,5) (số lùi)

Hình 2.15: Sơ đồ gài số lùi

- Trạng thái 5 (hình 2.16) có thể là số 4 với i = 0,60,8 (số truyền tăng OD)

Hình 2.16: Sơ đồ gài số 4

- Trạng thái 6 (hình 2.17) có thể là số 2 với i = 1,02,0 (số truyền chậm)

Hình 2.17: Sơ đồ gài số 2

- Trạng thái 7 có thể là số 3 với i = 1 (số truyền thẳng)

 Cơ cấu hành tinh kiểu Wilson tổ hợp

 Tổ hợp bộ truyền cơ bản

Để đáp ứng số lượng tỷ sô truyền cần thiết (ba đến năm số tiến), trên HSHT của ôtô thư ng dùng từ hai đến ba CCHT Wilson kể trên Thư ng gặp hai dạng cơ bản là ghép nối song song và ghép nối nối tiếp Trên hình 2.18a là sơ đồ ghép nối kiểu nối tiếp của hai CCHT Wilson, khi đó tỷ số truyền sẽ bằng tích giữa hai tỷ số truyền của các CCHT Wilson, còn số lượng số truyền được nhân lên gấp đôi, trên hình 2.18b là sơ đồ ghép nối song song của CCHT Wilson

 Tổ hợp các loại bộ truyền theo nhóm

Hộp số chính có thể chia ra: Một hoặc nhiều nhóm tỷ số truyền, hộp số có một

CCHT kiểu WILSON, hộp số có hai hay nhiều nhóm tỷ số truyền gồm các CCHT

đã được tổ hợp như trên cùng với CCHT đơn giản (WILSON)

Hình 2.18: Sơ đồ ghép nối cơ cấu hành tinh Wilson

a) Sơ đồ ghép nối tiếp

b) Sơ đồ ghép song song

Các ô tô con hiện đại thư ng bố trí các loại động cơ có số vòng quay lớn (1000 - 6000 vg/ph) hộp số cần có nhiều số truyền và tỷ số truyền thay đổi trong giới hạn rộng, trong khi đó không gian chỉ cho phép trong giới hạn nhất định, vì vậy hộp số đã được cấu tạo thành hai phần (tạo nên hai nhóm số truyền) nhằm giảm bớt tỷ số truyền cho các bộ truyền, thu gọn kích thước chung

Trên ô tô con thư ng sử dụng loại hộp số có hai nhóm tỷ số truyền Đối với loại này hộp số chính được chia ra: phần chính và phần phụ hộp số Phần phụ hộp

số có thể đặt trước phần chính như trên hình 2.19a, hoặc đặt sau phần chính như hình 2.19b

a - Hộp số hai nhóm số truyền có phần phụ đặt trước phần chính

b - Hộp số hai nhóm số truyền có phần phụ đặt sau phần chính

Hộp số có hai nhóm số truyền phần phụ có hai số, phần chính có ba, bốn số

Tỷ số truyền trong phần phụ có thể có: số truyền thẳng, số truyền tăng, nhưng cũng có thể là số truyền thẳng, số truyền giảm Trong trư ng hợp có số truyền giảm thì số D - số truyền giảm, số OD - số truyền thẳng

Tỷ số truyền chung trong hộp số được tính toán từ tỷ số truyền của các phần trong hộp số Hộp số chính có nhiều nhóm tỷ số truyền không sử dụng trên ô tô con

 Cơ cấu hành tinh kiểu Simpson

CCHT kiểu Simpson gồm hai CCHT Wilson Các phần tử M1, N1, H1, G1thuộc dãy hành tinh thứ nhất, M2, N2, H2, G2 thuộc dãy hành tinh thứ hai thể hiện trên hình 2.20 Chúng đã được ghép nối như sau:

- Hai bánh răng mặt tr i M1 và M2đặt trên cùng một trục quay (liên kết cứng)

- Giá hành tinh G2 liên kết cứng với bánh răng ngoại luân N1.

Hình 2.20: CCHT kiểu Simpson

B ng 2.4: Nguyên lý làm việc CCHT tổ hợp Simpson

Phần tử khóa

Phần

tử chạy không

Công thức tính i

Khả năng chế tạo i

ứng dụng trong hộp số

2 1 1 2 2

1

N

N M

M N

M

r

r r

r r

r



 1 < i < 

Số truyền rất chậm

3

N2 N1

K1 nối với K2

H1,H2,

M1,M2,G1

Số truyền thẳng

 Cơ cấu hành tinh kiểu Ravigneaux

Cấu tạo của CCHT kiểu Ravigneaux gồm hai bánh răng mặt tr i M1, M2 nối với hai trục khác nhau, hai nhóm bánh răng hành tinh H1, H2, ăn khớp với nhau và đặt chung trên một giá hành tinh G, một bánh răng ngoại luân N ăn khớp với H2, còn H1 ăn khớp với M2 Sơ đồ cấu tạo trình bày trên hình 2.21 và tóm tắt nguyên lý làm việc trong bảng 2.5

Hình 2.21: Sơ đồ cấu tạo của CCHT kiểu Ravigneaux

1 - Bánh răng hành tinh H2; 2 - Bánh răng hành tinh H1; 3 - Giá hành tinh G; 4

- Bánh răng mặt tr i M2; 5 - Bánh răng mặt tr i M1; 6 - Bánh răng ngoại luân

Phần

tử bị động

Phần

tử khóa

Phần

tử chạy không

Công thức tính i

Khả năng chế tạo i

ứng dụng trong hộp số

2

2 1

1

M K M

K M

K

r r r

r r

3 M1+M2 N M1,

Số truyền thẳng

M

N r

r

 -  <i<-1 Số lùi

Từ bảng 2.5 nguyên lý làm việc nhận thấy trục chủ động có thể liên kết với

M1, M2, trục bị động liên kết với N do vậy kết cấu bố trí trên hộp số ôtô đảm bảo tính hợp lý cao Khi M1 và M2khóa cứng với nhau tạo nên số truyền thẳng (D)

So với CCHT kiểu Simpson, CCHT kiểu Ravigneaux cho khoảng tỷ số truyền rộng rãi hơn, ít gặp khó khăn trong chế tạo, nhiều hãng đã áp dụng CCHT kiểu này trên ôtô con từ nhiều năm trước đây

Hình 2.22: Các trạng thái làm việc số 1, 2, 4, R của CCHT kiểu Ravigneaux Trên hình 2.22 mô tả các số truyền của CCHT kiểu Ravigneaux và không trình bày số 3 truyền thẳng