Thiết kế hộp phân phối oto kèm bản vẽ

Có nhiệm vụ cung cấp những loại máy móc thiết bị động lực cho các công trình thi công, hay dây chuyền sản xuất… Được giao nhiệm vụ thiết kế đồ án ôtô với đề tài: thiết kế hộp phân phối t

-1-

LỜI NÓI ĐẦU

Đất nước ta đang trong giai đoạn quá độ đi lên chủ nghĩa xã hôi Ngày nay cùng với sự chuyển mình của nền kinh tế nước nhà, ngành cơ khí động lực trở thành một ngành chủ chốt đặt nền móng cho quá trình công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước Có nhiệm vụ cung cấp những loại máy móc thiết bị động lực cho các công trình thi công, hay dây chuyền sản xuất…

Được giao nhiệm vụ thiết kế đồ án ôtô với đề tài: thiết kế hộp phân phối trên

xe tải, cùng với cố gắng của bản thân và sự hướng dẫn tận tình của giáo viên hướng dẫn em đẫ cố gắng tìm hiểu về kết cấu cũng như nguyên lý của các hộp phân phối, vận dụng những kiến thức đã học vào công việc thiết kế

Qua đây em xin gữi lời cảm ơn đến thầy Nguyễn Văn Đông đã tận tình hướng dẫn giúp em hoàn thành đồ án này, tuy đã có nhiều cố gắng trong quá trình làm đồ

án nhưng vẫn không thể tránh khỏi những khiếm khuyết và sai sót Rất mong nhận được sư đống góp ý kiến của quý thầy cô và toàn thể các bạn!

Em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên thực hiện

Lê Hoài Nam

-2-

1.TỔNG QUAN VỀ HỘP PHÂN PHỐI TRÊN ÔTÔ

1.1.Công dụng và yêu cầu của hộp phân phối

1.1.1.Công dụng

Hộp phân phối dùng trên ô tô để phân phối công suất từ sau động cơ sau khi qua hộp số đến các cầu chủ động hoặc ra các bánh xe chủ động Hộp phân phối thường được bố trí trên như sơ đồ hình 1-1 Hộp phân phối thường được sử dụng trên các ô tô có tính cơ động cao hay hoạt động ở những nơi đường có hệ số bám thấp

Hình 1-1 Bố trí chung của hộp phân phối trên ôtô hai cầu chủ động

1.1.2.Yêu cầu

Để đảm bảo công dụng nêu trên ngoài các yêu cầu chung về hiệu suất, sức bền

và kết cấu gọn thì hộp phân phối ô tô và máy kéo còn phải thỏa mãn các yêu cầu đặc trưng sau:

- Hộp phân phối ô tô, máy kéo phải đảm bảo việc phân phối đủ mô men đến các cầu hoặc bánh xe chủ động theo tỷ lệ khối lượng ô tô phân bố lên các cầu hoặc các bánh xe chủ động Việc phân phối như vậy thì mô men xoắn

- Đảm bảo các kích thước bánh răng phải thật chính xác mục đích là không làm sai lệch tỷ số truyền mô men khi phân chia công suất ra các cầu chủ động

- Điều khiển cho hộp phân phối thuận lợi và linh hoạt Tức là phải cho phép ngắt hoặc nối truyền động đến các cầu hoặc bánh xe khi cần thiết Việc điều khiển ngắt nối có thể được điều khiển tự động, bán tự động hoặc bằng tay

- Đảm bảo các khớp gài ra vào nhẹ nhàng, lái xe không phải dùng nhiều lực

- Yêu cầu của hộp phân phối là phải hoạt động tốt, ổn định, tuổi thọ cao và giá thành phải phù hợp khi đi kèm trên xe

1.2.Phân loại hộp phân phối

Với các yêu cầu nêu trên tùy theo nguyên lý và kết cấu, hiện nay hộp phân phối có thể phân loại theo một số tiêu chí cơ bản sau:

- Theo cấp số truyền hộp phân phối người ta chia ra:

+ Hộp phân phối một cấp số truyền như các sơ đồ hình 1-2

+ Hộp phân phối hai cấp số truyền như các sơ đồ hình 1-3

tỉ số truyền i = 1 và một cấp số truyền có tỉ số i > 1, hay i < 1

Hình 1-3 Các dạng sơ đồ cấu tạo hộp phân phối 2 cấp

- Tùy theo lý truyền động có thể chia ra 2 loại:

+ Hộp phân phối không sử dụng bộ vi

+ Hộp phân phối có sử dụng bộ vi sai

-5-

- Trong hộp phân phối kiểu vi sai, tỳ theo tính chất phân phối mô men của vi sai:

+ Hộp phân phối sử dụng vi sai đối xứng

+ Hộp phân phối sử dụng vi sai không đối xứng

- Theo công dụng của hộp phân phối:

+ Hộp phân phối mô men giữa các bánh xe

+ Hộp phân phối mô men giữa các cầu

Hộp phân phối mô men ra các bánh xe (truyền lực chính) thường là loại vi sai đối xứng như hình 1-4

Hình 1-4 Hộp phân phối kiểu vi sai đối xứng giữa hai bánh xe có khóa vi sai Trên hình 1-4 là hộp phân phối kiểu vi sai đối xứng được dùng để phân phối

mô men nhận được từ các đăng để vào cầu chủ động, thông qua bộ truyền lực chính bánh răng côn, mô men truyền lên thân hộp phân phối Mô men từ thân sẽ truyền vào bên trong cho bộ truyền vi sai thông qua các trục di động của bánh răng vệ tinh

Từ đây thông qua các bánh răng vệ tinh, mô men sẽ được truyền cho các bánh răng dẫn động hai trục ra I và II để đến hai bánh xe chủ động Do bộ truyền vi sai kiểu đối xứng nên mô men xoắn truyền đến các trục bằng nhau Tuy nhiên, nhờ tính chất

vi sai, nên hai trục có thể quay với vận tốc góc bất kỳ, linh hoạt theo sự chuyển động của các bánh xe Trên hộp phân phối mô men ra các bánh xe có thể có khóa vi

Hình 1-5 hộp phân phối kiểu vi sai không đối xứng giữa các cầu

Trên hình 1-5 là sơ đồ động học kiểu hộp phân phối có vi sai không đối xứng

áp dụng phổ biến trên xe có kiểu bố trí bánh xe 6x6 Trong hộp phân phối này cũng thiết kế thêm hai số truyền phụ nhằm thay đổi lực kéo tương ứng với lực cản chuyển động trong hai loại địa hình khác biệt nhau

Tuy nhiên đối với xe đã có hộp phân phối phụ riêng thì trong hộp phân phối không cần bố trí thêm hộp phân phối phụ để nâng cao hiệu suất của hộp phân phối

và do đó nâng cao hiệu suất chung của cơ cấu truyền lực Song nhất thiết phải có cơ cấu khóa vi sai K để khắc phục hiện tượng cầu bị sa lầy

- Theo dạng điều khiển gài

+ Điều khiển bằng tay thông qua các kết cấu cơ khí

+ Điều khiển bàng điện từ thông qua việc điều khiển các rơle

-7-

+ Điều khiển bằng khí nén lực điều khiển gà được thực hiện bằng một cặp piston xi lanh khí nén

+ Điều khiển tự động

- Theo tinh chất biến đổi mô men phân ra các trục

+ Hộp phân phối có mô men ma sát trong thấp

+ Hộp phân phối có mô men ma sát trong cao

Thông thường thiết kế hộp phân phối có mô men ma sát trong là thấp nhằm mục đích đạt yêu cầu chung về hiệu suất truyền động cao Tuy nhiên, trong một số trường hợp đặc biệt (xe quân sự cần vượt địa hình nhanh- kể cả lầy lội) cần thiết phải thiết kế hộp phân phối có mô men ma sát trong là cao nhắm đảm bảo khả năng

tự vượt lầy nhanh cần thiết cho xe

Ngoài các loại đã được nêu trên thì hiện nay có loại mới và ngày càng được sử dụng rộng rãi, đó là hộp phân phối kiểu vi sai-bộ tăng tốc liên hợp

Điểm khác biệt cơ bản của hộp này và các các hộp khác là nó vừa làm nhiệm

vụ của bộ vi sai, vừa làm nhiệm vụ tăng tốc sau khi ra khỏi hộp

Sơ đồ động học của hộp phân phối:

-8-

Hình 1-6 Sơ đồ động học hộp phân phối và bộ tăng tốc liên hợp

Hộp phân phối kiểu vi sai không đối xứng được thiết kế liên hợp, vừa làm nhiệm vụ phân phối vừa có thể làm hộp tăng tốc

 Nguyên lý làm việc: Công suất được truyền từ hộp số đến hộp phân phối, công suất được truyền đến vỏ vi sai qua cặp bánh răng số truyền thẳng Từ vỏ vi sai công suất đến bánh răng vệ tinh qua chốt lắp chặt trên vỏ vi sai từ đó nếu:

- Đồng tốc ở vị trí K1 khóa cần C với bánh răng trung tâm Lúc đó công suất được chia làm 2 dòng ra cầu trước và sau bằng nhau

- Đồng tốc ở vị trí K2, nối bánh răng trung tâm với trục trước Lúc đó công suất truyền ra hai cầu được chia theo tỷ lệ của bộ vi sai

- Đồng tốc ở vị trí K3 thì đồng tốc sẽ làm nhiệm vụ nối bánh răng trung tâm với vở hộp phân phối và giải phóng cầu trước đồng thời cố định bánh răng trung tâm của vỏ vi sai lên cầu để biến bộ vi sai thành cơ cấu hành tinh làm việc theo kiểu bộ truyền tăng tốc cho xe khi chuyển động trên đường tốt

-9-

2.TÍNH TOÁN XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU CỦA HỘP PHÂN PHỐI

2.1.Lập giá trị tỷ số phân phối mô men của hộp phân phối

Để lực kéo truyền đến các bánh xe không vượt quá lực bám thì mô men phân phối ra các cầu tỷ lệ với khối lượng phân bố lên các cầu đó Theo [1] mô men lớn nhất có thể truyền đến các cầu không được vượt quá mô men bám trên các cầu, tức

là mô men phân phối ra các cầu:

1 1 bx1 1

01 1

2 2 bx2 2

G1, G2 [kg]: là khối lượng tương ứng phân bố lên cầu trước, cầu sau

φ1, φ2: là hệ số bám giữa lốp với mặt đường tương ứng ở cầu trước và sau

Rbx1, Rbx2 [m]: là bán kính làm việc tương ứng của bánh xe trước, sau

i01, i02 : là tỷ số truyền tương ứng của truyền lực chính cầu trước, sau

η1, η2 : hiệu suất tương ứng từ hộp phân phối đến các cầu trước, sau

g [m/s2]: gia tốc trọng trường, trong tính toán lấy g = 9,81

Trong điều kiện làm việc “chuẩn” (xe chuyển động thẳng trong điều kiện đường phẳng, bán kính làm việc của các bánh xe bằng nhau, .) ta có thể giả thiết các thông số kết cấu cũng như các thông số vận hành của cầu trước, cầu sau của xe

là như nhau (như bán kính làm việc bánh xe: Rbx1=Rbx2, tỷ số truyền lực chính

01 02

i =i , hiệu suất truyền lực η1 = η2, hệ số bám giữa lốp với mặt đường φ1 = φ2) Theo [1] tỷ số mô men yêu cầu truyền đến cầu trước, cầu sau:

2.2.1.1.Theo số cấp tỷ số truyền trong hộp phân phối

- Hộp phân phối một cấp tỷ số truyền

Hộp phân phối một cấp tỷ số truyền là hộp phân phối chỉ làm nhiệm vụ phân phối mô men ra hai cầu theo một tỷ số truyền duy nhất Hộp phân phối một cấp có thể dùng bộ vi sai hoặc không dùng bộ vi sai Sơ đồ hộp phân phối một cấp tỷ số truyền như hình 2-1

Hình 2-1 Các dạng sơ đồ của hộp phân phối một cấp

Ưu điểm: có kết cấu đơn giản

Nhượt điểm: chỉ làm nhệm vụ của hộp phân phối

- Hộp phân phối hai cấp tỷ số truyền

Hộp phân phối hai cấp tỷ số truyền là hộp phân phối vừa làm nhiệm vụ phân phối mô men ra hai cầu vừa đóng vai trò là hộp số phụ cho ô tô Tương

tự như hộp phân phối một cấp tỷ số truyền, hộp phân phối hai cấp có thể dùng

bộ vi sai hoặc không dùng bộ vi sai Sơ đồ hộp phân phối hai cấp tỷ số truyền như hình 2-2

-11-

Hình 2-2 Các dạng sơ đồ của hộp phân phối hai cấp

Ưu điểm: có thể dùng kết hợp thay thế cho hộp số phụ để đơn giản kết cấu hệ thống truyền lực trên ô tô

Nhược điểm: kết cấu phức tạp hơn hộp phân phối một cấp

2.2.1.2.Theo nguyên lý truyền động trong hộp phân phối

- Hộp phân phối không sử dụng bộ vi sai

Hộp phân phối không sử dụng bộ vi sai có thể dùng một cấp tỷ số truyền hoặc hai cấp Sơ đồ hộp phân phối như hình 2-3

Hình 2-3 Các dạng sơ đồ của hộp phân phối không sử dụng bộ vi sai

-12-

Ưu diểm: kết cấu đơn giản, chế tạo dễ, không có hiện tượng cầu bị sa lầy Nhược điểm: bị tuần hoàn công suất khi áp suất các bánh xe ở các cầu chủ động khác nhau

- Hộp phân phối sử dụng bộ vi sai

Hộp phân phối sử dụng bộ vi sai cho phép phân phối mô men đến các cầu chủ động bằng nhau hoặc khác nhau tùy vào kết cấu đối xứng hay không đối xứng của bộ vi sai Hộp phân phối sử dụng bộ vi sai có thể dùng một cấp

tỷ số truyền hoặc hai cấp Sơ đồ hộp phân phối vi sai như hình 2-4

Hình 2-4 Các dạng sơ đồ của hộp phân phối có sử dụng bộ vi sai

Ưu điểm: truyền mô men đến hai cầu với tỷ số truyền xác định, đảm bảo bánh xe không bị trượt lết trên đường trong bất kỳ trường hợp nào

Nhược điểm: kết cấu phức tạp yêu cầu độ chính xác cao đắt tiền, không phân phối được công suất khi có một cầu xe sa lầy Để khắc phục hiện tượng cầu sa lầy thì phải bố trí thêm khóa vi sai

-13-

2.2.2.Chọn phương án và sơ đồ động học hộp phân phối

Theo yêu cầu của đề bài, tỷ lệ phân phối mô men cho các cầu là không bằng nhau nên chọn hộp phân phối kiểu vi sai không đối xứng Xe tải yêu cầu về tính kinh tế nhiên liệu cao nên thường dùng hộp số nhiều cấp, để đơn giản bộ phận trong

hệ thống truyền lực ta dùng hộp phân phối hai cấp

Chọn hộp phân phối thiết kế là hộp phân phối kiểu vi sai không đối xứng loại hộp phân phối và bộ tăng tốc liên hợp có sơ đồ như hình 2-5

Hình 2-5 Sơ đồ động học hộp phân phối và bộ tăng tốc liên hợp

-14-

1 Trục nối với trục thứ cấp hộp số; 2 Bánh răng trên trục sơ cấp hộp phân phối; 3 Bánh răng trên trục trung gian hộp phân phối; 4 Trục trung gian hộp phân phối; 5 Vành răng; 6 Vỏ hộp phân phối; 7 bánh răng bao; 8 Trục thứ cấp dẫn động cầu sau; 9 Cần C; 10 Bánh răng vệ tinh; 11 Bánh răng trung tâm; 12 Trục thứ cấp dẫn

động cầu trước; 13 Bộ đồng tốc Hộp phân phối kiểu vi sai không đối xứng được thiết kế liên hợp, vừa làm nhiệm vụ phân phối vừa có thể làm hộp tăng tốc, tức là tốc độ ra khỏi hộp phân phối

sẽ có tốc độ góc lớn hơn tốc độ vào hộp phân phối khi ô tô chuyển động trên đường tốt Việc chuyển đổi chức năng thực hiện đơn giản qua việc thay đổi ống gài liên hợp mà không làm thay đổi cấu trúc bộ truyền động của hộp phân phối Khi chuyển ống gài vi sai thành cơ cấu ngắt cầu trước đồng thời cố định lên vỏ cầu, ta sẽ chuyển

bộ vi sai thành cơ cấu hành tinh, và do đó biến hộp phân phối thành hộp tăng tốc cho ô tô

 Nguyên lý làm việc: Công suất được truyền từ hộp số đến hộp phân phối, công suất được truyền đến vỏ vi sai qua cặp bánh răng số truyền thẳng Từ vỏ

vi sai công suất đến bánh răng vệ tinh qua cần C của cơ cấu vi sai từ đó nếu:

 Ống gài ở vị trí K1 cố định bánh răng trung tâm với vỏ hộp phân phối và giải phóng cầu trước đồng thời cố định bánh răng trung tâm của vỏ vi sai lên cầu để biến bộ vi sai thành cơ cấu hành tinh làm việc theo kiểu bộ truyền tăng tốc cho xe khi chuyển động trên đường tốt, hoặc khi xe lên dốc

 Ống gài ở vị trí K2 nối bánh răng trung tâm với trục các đăng cầu trước, lúc

đó công suất được chia làm 2 dòng ra cầu trước và sau theo tỷ lệ phân bố momen giữa các cầu

3.TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA TRỤC VÀ CÁC CẶP BÁNH RĂNG HỘP PHÂN PHỐI

3.1.Động học và động lực học hộp phân phối có vi sai

Sơ đồ động học hộp phân phối chọn :

Hình 3-1 Sơ đồ động học hộp phân phối

R1: Bán kính vòng chia của bánh răng trung tâm

R2: Bán kính vòng chia của bánh răng bao

Rc: Khoảng cách từ tâm trục của bánh răng vệ tinh (điểm đặt lực Pc) đến tâm

trục quay của các trục I và II

Ta có mô men truyền từ bánh răng vệ tinh đến các trục là tỷ lệ với bán kính

vòng chia của bánh răng dẫn động trục, theo [1]:

-16-

Trong đó: Z1: số răng của bánh răng trung tâm

Z2: số răng của bánh răng bao

Theo tài liệu [1] ta có:

Z2 – Z1 = 2Zg (3.3) Trong đó: Zg: số răng của bánh răng vệ tinh

Theo tài liệu [1] Zg được chọn Zg = 15

2 1 30 (3.4)

Z Z 

Từ (3.2) và (3.3) ta có hệ phương trình:

1 2

2 1

0, 47430

Z Z

2 2

2 2 2

g g

m Z R

m Z R

m Z R

-18-

3.2.Xác định kích thước cơ bản của hộp phân phối

3.2.1.Khoảng cách trục hộp số và hộp phân phối

Theo tài liệu [1] ta có công thức kinh nghiệm tính khoảng cách trục của hộp phân phối:

Đối với xe vận tải: ka= 8,6 ÷ 9,6

Vì thiết kế xe tải nên ta chọn ka = 9,5

Giá trị tỷ số truyền ih1 được xác định theo điều kiện kéo, theo [1]

Trong đó: Ga[N]: trọng lượng cầu chủ động của xe

Ψmax: hệ số cản lớn nhất của đường

rbx [m]: bán kính làm việc của xe

ηt = (0,85 ÷ 0,93): hiệu suất của hệ thống truyền lực, chọn ηt = 0,85

i0 : tỷ số truyền của truyền lực chính

Tỷ số truyền của truyền lực chính theo [1]

-19-

emax v bx 0

ihn: tỷ số truyền thẳng của hộp phân phối, ihn = 1

λt: tỷ số tốc độ thiết kế, chọn λt = 0,9 để tiết kiệm nhiên liệu

Ta có: N V bx

0 amax hn

a emax h1

A = k M i = 9,5 240.4,252 = 95,644 [mm]

Chọn A = 96 [mm]

3.2.2.Tính kích thước trục hộp phân phối

Với sơ đồ đã chọn, ta có trục vào của hộp phân phối được gắn với trục ra của

hộp số nên mô men của trục vào hộp phân phối sẽ là mô men trục ra của hộp số

Gọi M1 là mô men của trục sơ cấp của hộp phân phối, theo [1]:

M1 = Memax.ih1 = 240.4,252 = 1020,464 [N.m]

ih1: tỷ số truyền ở tay số 1 là tay số thấp nhất, mục đích chọn ih1 mà không phải

chọn ih khác là ta do lấy mô men ra là lớn nhất, khi đó ta mong muốn rằng hộp phân

1 d

d =k M (3.10)

kd: hệ số kinh nghiệm, kd = 4 ÷ 4,6 Chọn kd = 4,4

3 1

=> d = 4,4 1020,464= 44,298 [mm]

=> Chọn d1= 45 [mm]

Chiều dài trục sơ cấp xác định theo [1]:

1 1

l = = = 233,148 [mm] (3.11)0,19 0,19

l = = = 233,148 [mm] (3.14)0,19 0,19

=> Chọn l1 = 235 [mm]

+ Đối với hai trục thức cấp dẫn động ra hai cầu thì được tính theo tỷ số phân phối mô men ra, tức là:

Trong đó: d2 là đường kính trục dẫn động cầu trước

d3 là đường kính trục dẫn động cầu sau

Theo công thức kinh nghiệm ta có:

d3= 0,45 A = 0,45.96 = 43,04 [mm]

Chọn d3 = 45[mm]

2

2 3