Nghiên cứu thiết kế cơ cấu dẫn động vạn năng điều khiển hộp số cơ khí thông qua bộ truyền vi sai bánh răng

BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGUYỄN VĂN CUNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CƠ CẤU DẪN ĐỘNG VẠN NĂNG ĐIỀU KHIỂN HỘP SỐ CƠ KHÍ THÔNG QUA BỘ TRUYỀN VI SAI BÁNH RĂNG Chuyên ngành: Kỹ thuật Ô

BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

NGUYỄN VĂN CUNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CƠ CẤU DẪN ĐỘNG VẠN NĂNG ĐIỀU KHIỂN HỘP SỐ CƠ KHÍ THÔNG QUA BỘ TRUYỀN VI SAI BÁNH RĂNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật Ô tô Máy kéo

Mã số: 60.52.35

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2012

Công trình được hoàn thành tại

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: TS.NGUYỄN HOÀNG VIỆT

Luận văn được bảo vệ tại hội đồng chấm luận văn tốt

nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 25

tháng 03 năm 2012

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng

- Trung tâm học liệu, Đại học Đà Nẵng

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Việc điều khiển ôtô có đòi hỏi người vận hành phải tác dụng

các lực cơ học lớn, điều đó làm tăng cường sự tập trung, dẫn đến

giảm năng suất làm việc đồng thời giảm tính an toàn chuyển động

của ôtô Vì lẽ đó cần phải đơn giản và giảm nhẹ quá trình điều khiển

ôtô là một yêu cầu mà các nhà thiết kế và chế tạo đặt lên ở mức cao

Một trong những hệ thống quan trọng của ôtô là hệ thống truyền lực

mà các nhà thiết kế đặc biệt quan tâm

Khi vận hành ôtô cần thiết phải thay đổi tốc độ chuyển động

và giá trị lực kéo trên các bánh xe chủ động trong một phạm vi rộng

nên tất cả các ôtô đều phải được lắp hộp số Hiện nay sử dụng phổ

biến nhất trên ôtô là các hộp số có cấp, không tự động đổi số mà

người lái phải thực hiện tùy thuộc vào điều kiện chuyển động yêu

cầu Những hộp số này có ưu điểm đơn giản, giá thành rẻ, làm việc

tin cậy hiệu suất cao Tuy nhiên đối với một số loại ôtô tải trọng lớn

người lái phải thường xuyên tác dụng lực lớn khi chuyển số Bởi vậy

vấn đề chính là đơn giản hóa việc điều khiển hộp số, giảm nhẹ lao động cho người lái

Có nhiều hệ thống khác nhau để giải quyết vấn đề giảm nhẹ

việc điều khiển hộp số như: hộp số bán tự động, hộp số tự động hóa,

hộp số tự động, hộp số kết hợp giữa tự động hóa và tự động cũng được sử dụng rộng rãi

Hiện nay, hướng chủ yếu để giảm nhẹ và đơn giản quá trình điều khiển ôtô thường là ứng dụng hộp số thuỷ cơ, chúng cho phép

giải phóng hoàn toàn hoặc một phần điều khiển trực tiếp của người

lái, điều đó cải thiện được một cách đáng kể điều kiện lao động và

nâng cao khả năng an toàn chuyển động của ôtô

Tuy nhiên, với điều kiện ở Việt Nam việc chế tạo các hộp số

tự động và kết hợp như hộp số thủy cơ, đó là một cơ cấu hoàn toàn

mới về kết cấu, đòi hỏi có các thiết bị đặc biệt và công nghệ sản xuất

mới, có cấu tạo phức tạp, giá thành cao

Để giảm nhẹ và đơn giản hóa quá trình điều khiển hệ thống

truyền lực ôtô mà tránh được những nhược điểm nói trên nên tác giả

chọn đề tài “Nghiên cứu thiết kế cơ cấu dẫn động vạn năng điều khiển hộp số cơ khí thông qua bộ truyền vi sai bánh răng” Đặc điểm

chính của cơ cấu này là sử dụng năng lượng của các trục quay để tạo

ra cơ năng điều khiển hộp số Với cơ cấu dẫn động vạn năng thông

qua bộ truyền vi sai bánh răng, có thể điều khiển bằng các tín hiệu điện từ với công suất rất nhỏ Điều đó cho phép người lái điều khiển

hệ thống truyền lực chỉ nhờ nút bấm hay cần gạt bố trí trên bảng điều

khiển, làm khớp nối dịch chuyển trên trục thứ cấp hộp số, để nối trục

thứ cấp với các bánh răng tương ứng Kết quả là sẽ nhận được các tỷ

số truyền khác nhau tương ứng với các cặp bánh răng luôn ăn khớp

trong hộp số Ngoài ra cơ cấu có kết cấu nhỏ gọn nên đáp ứng được

các yêu cầu về độ bền, độ tin cậy, làm việc chắc chắn nâng cao khả

năng chịu tải và tuổi thọ cho các chi tiết của hộp số và giảm được lực

cho người lái

2 Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu thiết kế cơ cấu dẫn động vạn năng nhờ sử dụng

năng lượng của các trục quay tạo ra cơ năng điều khiển hộp số bằng

các tín hiệu điện từ nhờ các nút bấm hay cần gạt bố trí trên bảng điều

khiển, nhằm làm đơn giản và giảm nhẹ quá trình điều khiển hộp số

cơ khí

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Cơ cấu dẫn động vạn năng điều khiển

hộp số truyền động cơ khí, 4 số tiến và 1 số lùi trên ôtô du lịch 4 chỗ

ngồi

Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu, tính toán, thiết kế cơ cấu

dẫn động vạn năng điều khiển hộp số thông qua bộ truyền vi sai bánh

răng trên ôtô du lịch 4 chỗ ngồi

4 Phương pháp nghiên cứu:

4.1 Nghiên cứu lý thuyết:

- Nghiên cứu đặc điểm động học và động lực học bộ truyền vi

sai

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về cơ cấu dẫn động vạn năng điều khiển hộp số

4.2 Nghiên cứu thiết kế:

Tính toán và vẽ kết cấu của cơ cấu dẫn động vạn năng điều

khiển hộp số

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Ý nghĩa thực tiễn của đề tài là có thể làm đơn giản và giảm

nhẹ quá trình điều khiển hộp số cơ khí với kết cấu đơn giản, tiêu tốn

ít năng lượng và làm việc có độ tin cậy cao, giá thành thấp

Trên cơ sở đó có thể ứng dụng vào điều khiển hộp số cơ khí

dùng cho các ôtô tương đương, đồng thời mở ra hướng nghiên cứu tự động hoá quá trình điều khiển ly hợp cũng như một số cơ cấu truyền động khác trên ôtô, máy kéo

6 Cấu trúc của luận văn: Ngoài phần mở đầu và kết luận,

luận văn gồm 5 chương

Chương 1: Tổng quan về bộ truyền vi sai

Chương 2: Lý thuyết chung về điều khiển hộp số

Chương 3: Giới thiệu chung về hộp số và ôtô du lịch 4 chỗ

ngồi

Chương 4: Khả năng dùng cơ cấu dẫn động vạn năng điều

khiển hộp số cơ khí

Chương 5: Thiết kế cơ cấu dẫn động vạn năng điều khiển hộp

số cơ khí trên ôtô du lịch 4 chỗ ngồi

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ BỘ TRUYỀN VI SAI

1.1 Khái niệm, phân loại và phạm vi ứng dụng cơ cấu vi sai

- Theo giá trị của hệ số hãm vi sai

1.1.2.2 Phạm vi ứng dụng của cơ cấu vi sai

Trên ôtô thường dùng cơ cấu vi sai bánh răng trụ trong các

hộp số, truyền động cuối cùng cho bánh xe,

Vi sai bánh răng côn thường dùng trong cầu chủ động để

truyền động cho các trục bánh xe, phân phối mômen giữa các cầu;

Vi sai đối xứng trong trường hợp ma sát trong bé thường dùng

trong cầu chủ động để truyền động cho các trục bánh xe;

Vi sai không đối xứng thường dùng trong hộp phân phối của

ôtô nhiều cầu;

Vi sai tự hãm thường sử dụng trên ôtô con để tăng tính năng

cơ động và độ ổn định khi xe quay vòng…

1.2 Cơ sở lý luận về cơ cấu vi sai [13]

1.2.1 Nguyên lý chung

1.2.1.1 Tỷ số truyền

Cơ cấu vi sai là một hệ bánh răng gồm có các khâu: bánh răng

trung tâm 1, bánh răng hành tinh 2, cần dẫn C (hình 1.1)

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý cơ cấu vi sai

1 Bánh răng trung tâm; 2 Bánh răng hành tinh; C Cần dẫn

1.2.1.2 Phân bố mômen quay trong cơ cấu vi sai

Công thức tính vận tốc góc tương đối của các khâu 1, 2 so với

Quan hệ vận tốc của cơ cấu biểu thị bằng tỷ số truyền giữa

khâu 1 và khâu 2 khi cần C không chuyển động:

(1.1)

1.2.1.3 Các h ệ số đánh giá hiệu quả vi sai

1.2.2 Một số sơ đồ cơ cấu vi sai

1 2

1 12

Z

Z i

C

C C

ω

ωωω

C

i12

1.2.2.2 Vi sai bánh răng côn

1.3 Sử dụng cơ cấu vi sai để dẫn động hộp số

Chọn sơ đồ vi sai bánh răng côn (Hình 1.5) để điều khiển dẫn động hộp số

Hình 1.5 Sơ đồ cơ cấu vi sai bánh răng côn dẫn động hộp số

1,3 Bánh răng trung tâm; 2 Bánh răng hành tinh;

4 Trục dẫn động; 5 Trục bánh răng trung tâm; C Cần dẫn

Chương 2 LÝ THUYẾT CHUNG VỀ ĐIỀU KHIỂN

HỘP SỐ 2.1 Yêu cầu về tự động điều khiển hộp số [12]

2.1.1 Yêu cầu giảm nhẹ việc điều khiển hộp số

2.1.2 Các biện pháp giảm nhẹ việc điều khiển hộp số

2.1.3 Điều kiện chuyển số

2.2.2.1 Các khái niệm cơ bản

2.2.2.2 Biến mômen thủy lực

C

2

Chương 3 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỘP SỐ VÀ ÔTÔ

DU LỊCH 4 CHỖ NGỒI 3.1 Giới thiệu chung về ôtô du lịch ở Việt Nam

ihI - Giá trị tỷ số truyền thấp nhất của hộp số

ihn- Giá trị tỷ số truyền của số cao nhất

q - Công bội của dãy tỷ số truyền, khi tính toán có thể

chọn công bội trung bình q theo khoảng kinh nghiệm sau:

+ Đối với hộp số thường : q = 1,50 ÷ 1,70

+ Đối với hộp số nhiều cấp: q = 1,20 ÷ 1,40

3.2.2.2 Tỷ số truyền của hộp số

3.2.3 Đặc điểm cấu tạo của hộp số cơ khí có cấp [11]

3.2.4 Cơ cấu điều khiển hộp số [7]

3.2.4.1 C ơ cấu điều khiển trực tiếp

3.2.4.2 Cơ cấu điều khiển hộp số thông qua cần nối

3.2.4.3 Cơ cấu tránh vào hai số một lúc

log

loglog

= −

q

i i n i

i

n hn hI

3.2.5 Bộ đồng tốc [7]

Cấu tạo và nguyên lý làm việc của bộ đồng tốc kiểu tấm trượt

Hình 3.5 B ộ đồng tốc kiểu tấm trượt

1, 4 Vòng đồng tốc; 2 Vòng khóa lò xo; 3 Ống trượt ngoài;

5 Mặt côn 6 Moay-ơ; 7 Tấm trượt

3.3 Phân tích ưu nhược điểm của cơ cấu điều khiển hộp số

- Kết cấu đơn giản, giá thành rẽ

- Làm việc tin cậy, hiệu suất cao

Chương 4 KHẢ NĂNG DÙNG CƠ CẤU DẪN ĐỘNG VẠN

NĂNG ĐIỀU KHIỂN HỘP SỐ CƠ KHÍ

4.1 Sơ đồ cơ cấu dẫn động vạn năng điều khiển hộp số cơ khí

Hình 4.1 Sơ đồ cơ cấu dẫn động vạn năng điều khiển

hộp số cơ khí

1,2 Bánh răng trung tâm; 3 Khớp chuyển số; 4 Trục thứ cấp; 5,11 Bánh r ăng gài số tương ứng; 6 Moay-ơ bộ đồng tốc; 7,9 Phanh điện từ; 8 Bánh răng hành tinh; 10 Chốt

4.2 Nguyên lý làm việc cơ cấu dẫn động điều khiển hộp số

c ơ khí

4.2.1 Bộ đồng tốc khi chưa lắp cơ cấu dẫn động vạn năng

[13]

4.2.1.1 Giai đoạn dịch chuyển tự do

4.2.1.2 Giai đoạn chưa đồng tốc

ω1 -Vận tốc góc của khớp chuyển số (rad/s)

ω2 - Vận tốc góc của bánh răng trung tâm (rad/s)

ω12 - Vận tốc góc tương đối giữa khớp chuyển số và bánh

răng trung tâm (rad/s)

Mômen phanh cần thiết tại đĩa phanh khi điều khiển cơ cấu

dẫn động là:

5.1.1 Khớp chuyển số

5.1.1.1 Chọn mối ghép ren giữa khớp chuyển số và bánh răng trung tâm [4]; [9]; 14]

Chọn ren hình thang cân cho bộ truyền vít - đai ốc

- Xác định đường kính trung bình d2 của ren (Theo điều kiện

bền mòn):

Ta chọn đường kính đỉnh ren trên khớp chuyển số: d = 20mm

- Chọn số đầu mối ren (Z): Chọn Z = 1

- Tỉ số truyền lực của ren:

- Chọn bước ren của vít:

v - Vận tốc chuyển động tịnh tiến của vít một đầu mối ren;

n - Số vòng quay tương đối giữa đai ốc và vít khi điều khiển

hộp số Chọn n = 600 vòng/phút;

p - Bước ren (mm)

p

ptt p

h H

a

984 , 5 8 5 , 0 2 14 , 3

900 p

t J J

M P= ε = ω12

Chọn kích thước prôphin cơ bản của ren hình thang một đầu

mối thông dụng theo tiêu chuẩn TCVN 209-66

5.1.2 Tính toán tỉ số truyền của bộ vi sai bánh răng côn [9]

Bộ truyền vi sai bánh răng côn điều khiển hộp số cơ khí có sơ

đồ trên hình 5.4

Tỷ số truyền của cặp bánh răng côn để hở có thể đạt tới i = 6,3

Chọn tỷ số truyền cặp bánh răng côn nón trụ giữa bánh răng trung

tâm với bánh răng hành tinh:

Z1 - Số răng của bánh răng hành tinh;

Z2, Z3 - Số răng của hai bánh răng trung tâm

0 2

774 , 0 0135

, 0 117 14 , 3

0 ,

08 , 7 2

30 cos

12 , 0

β ϕ

6

1 1 3 1

2 = = =

Z

Z Z

Z Z

Z

Hình 5.4 Sơ đồ bộ truyền vi sai bánh răng côn

điều khiển hộp số

1 Bánh răng hành tinh; 2,3 Bánh răng trung tâm;

4 Trục dẫn động; 5 Trục bánh răng trung tâm; C Cần dẫn

5.1.3 Bánh răng trung tâm và bánh răng hành tinh [4],

[14]

5.1.3.1 Ch ọn vật liệu chế tạo bánh răng

5.1.3.2 Xác định môdun: Chọn môdun trên mặt mút lớn của

bánh răng côn ms = 2mm theo bảng 3-1; [4]

- Số răng của bánh răng Z1, Z2 (răng):

Từ công thức tính chiều dài nón: Bảng 3.5, [4]

02 , 0

2 02 ,

=

⇒

1 2 1

2

6

Z Z

- Đường kính vòng lăn trung bình dtb(mm)

- Chiều cao răng h (mm):

h = he + hi = 2 + 2,5 = 4,5

2 1 2 1 2

2 2

100 37

5 , 0

3,0

=

=

L

b L

ψ

4,10310217.2.5,05

02 , 31 5 , 0 1 34 5

, 0 1

d tb

4 , 173 4 , 103

02 , 31 5 , 0 1 204 5

, 0 1

d tb

2 1

11

Z

4 , 103

5 , 2

γ

Chiều dài chốt theo kết cấu của cần dẫn: L = 70mm

5.2 Thông số cơ bản của phanh điện từ

5.2.1 Tính chọn đĩa phanh và lực phanh [8], [9]

Mômen quán tính của các chi tiết khi phanh:

J = J1 + J2 + J3 + J4 + J5 = 15,91.10-4 + 8,12.10-4 + 16,62.10-4 + 4,62.10-4 + 6,2.10-4 = 51,47.10-4kgm2

- Xác định vận tốc tương đối giữa bánh răng trung tâm và

khớp chuyển số khi phanh:

- Xác định gia tốc góc khi phanh:

  100 1,95( )

300 4 4

mm Q

D

c y

=

=

≤

π τ π

s rad p

V

/ 86 , 67 5

54 14 , 3 2 2

86 , 67

s rad

=ω

ε

0 2

4 , 103

- Mômen phanh tại đĩa phanh:

Mp = J.ε = 51,67.10-4.271,43 = 1,39Nm

- Mômen phanh tính toán: Chọn hệ số an toàn k = 1,2

Mptt = kMp = 1,2.1,39 = 1,668Nm

- Lực phanh cần thiết tại đĩa phanh:

Đây chính là lực điện từ cần thiết khi phanh Fdt = Fp

Mômen ma sát trong khớp ren giữa bánh răng trung tâm và khớp chuyển số:

Công suất tiêu thụ của bộ truyền khi điều khiển cơ cấu:

P = Mr.ω12 = 7,26.67,86 = 492,8Nm/s = 492,8W

5.2.2 Tính chọn nam châm điện từ [6], [10]

- Công suất cơ khi hãm đĩa phanh P c :

- Tiết diện lõi từ S:

Chọn tiết diện lõi từ hình vuông: a = 4mm; b = 4mm

Chọn kích thước ngoài của cuộn dây: a = 8mm; b = 8mm

N tg

tg r F

2 117 , 0 900 ) (

N R

M F

p

ptt

13 , 0 668 ,

=

=

2 2

6 2

7

2 0

16 10

09 , 16 9

, 0 10 4 8 , 12

mm m

B F

- Chiều dài trung bình một vòng dây (mm):

- Sức từ động của cuộn dây, F (Avòng): Công thức (5-43), [6]

Hình 5.9 Kết cấu đĩa phanh và nam châm điện từ

1 Lõi từ; 2 Cuộn dây; 3 Đĩa phanh; δ Khe hở không khí

9306002,0

484,0

Q f W

002 , 0 14

024 , 0 017 , 0 94 , 70

U

l F

24 2

) 8 4 ( ) 8 4 ( 2 2

) ( 2 2

) (

l tb

94 , 70 017 , 0 24 4 , 0 48 8 , 135

đ

l f Q P Iw F

L = ltb.W = 0,024.9306 = 223

5.3 Cơ cấu dẫn động vạn năng điều khiển hộp số cơ khí thông qua bộ truyền vi sai bánh răng

5.3.1 Kết cấu

Hình 5.10 Kết cấu cơ cấu dẫn động điều khiển hộp số cơ khí

1,2 Bánh răng trung tâm; 3 Khớp chuyển số; 4 Trục thứ cấp; 5,11 Bánh răng gài số tương ứng; 6 Moay-ơ bộ đồng tốc; 7,9 Phanh điện từ; 8 Bánh răng hành tinh; 10 Trục bánh răng hành tinh; 12.Vành ma sát đồng tốc; 13 Cần dẫn;

14 Đĩa phanh

Hai cơ cấu phanh bằng điện từ này lắp cố định trên vỏ hộp số,

được cung cấp dòng điện từ máy phát điện hoặc ắc-quy để phanh

hãm các bánh răng trung tâm khi điều khiển cơ cấu dẫn động hộp số

Sơ đồ mạch điều khiển cơ cấu dẫn động hộp số thể hiện trên hình 5.11

Hình 5.12 Sơ đồ mạch điều khiển cơ cấu dẫn động

hộp số cơ khí

7,9 Cơ cấu phanh điện từ; 15,19 Biến trở; 16 Ắc-quy;

17 Máy phát điện; 18 Bộ điều chỉnh ly tâm

5.3.2 Nguyên lý làm việc

Khi xe đang hoạt động ở một tốc độ bất kỳ, chuyển động quay

được truyền từ trục thứ cấp đến khớp chuyển số của cơ cấu điều

khiển thông qua các mối ghép then hoa giữa moay-ơ với trục thứ cấp

và khớp chuyển số Khi không có lực phanh trong các cơ cấu phanh

điện từ, các chi tiết của cơ cấu vi sai và hai đĩa phanh trở thành khối

thống nhất và quay theo trục thứ cấp hộp số

- Khi đóng cơ cấu phanh điện từ 7, làm xuất hiện mômen phanh trên đĩa của cơ cấu phanh nên bánh răng trung tâm 2 sẽ quay chậm lại Lúc này các bánh răng hành tinh sẽ quay xung quanh trục của nó theo chiều làm tăng tốc độ quay của bánh răng trung tâm 1 nhanh hơn so với khớp chuyển số 3 Kết quả khớp chuyển số dịch chuyển sang trái ăn khớp với các then hoa vành ma sát đồng tốc ấn vành ma sát đồng tốc ép vào phần côn của bánh răng để bắt đầu đồng tốc, sau đó tiếp tục ăn khớp với các then hoa của bánh răng 11 để thực hiện gài số tương ứng

- Khi đóng cơ cấu phanh 9, bánh răng trung tâm 1 sẽ quay chậm hơn so với khớp chuyển số 3, thông qua bộ truyền vít - đai ốc làm cho khớp chuyển số dịch chuyển sang phải ăn khớp với các then hoa của bánh răng 5 để thực hiện gài số tương ứng

Cơ cấu dẫn động hộp số cơ khí có thể điều khiển bằng các tín hiệu điện từ với công suất rất nhỏ nhờ nút bấm hay cần gạt bố trí trên bảng điều khiển

Quá trình điều khiển cơ cấu vạn năng dẫn động hộp số cơ khí

được thực hiện như sau:

+ Quá trình gài số 3

Khi bấm nút (hay cần gạt) trên bảng điều khiển về vị trí “số 3”

các tiếp điểm của công tắc K1A đóng Lúc này, cuộn dây của rơle A

được cung cấp dòng điện từ ắc quy, làm công tắc K2A nối với tiếp

điểm A1, mạch cung cấp từ máy phát được nối thông với cuộn dây của cơ cấu phanh điện từ 7, tạo nên lực điện từ làm giữ đĩa phanh, nên bánh răng trung tâm 2 quay chậm lại, thông qua bộ truyền vi sai