Viết chương trình tính toán các thông số của bánh răng hộp số ô tô

Đề tài nghiên cứu khoa học “Viết chương trình tính toán các thông số của bánh răng hộp số ô tô” được thực hiện như một cố gắng cung cấp cho những người làm việc, học tập trong lĩnh vực

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

VIẾT CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ CỦA BÁNH RĂNG HỘP SỐ Ô TÔ

MÃ SỐ: T2014 - 59

Tp Hồ Chí Minh, tháng 11 - 2014

S 0 9

S KC 0 0 5 5 9 6

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG

VIẾT CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ CỦA BÁNH RĂNG HỘP SỐ Ô TÔ

Mã số: T2014 - 59

Chủ nhiệm đề tài: GVC ThS TRẦN ĐÌNH QUÝ

TP HCM, 11/2014

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG

VIẾT CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ CỦA BÁNH RĂNG HỘP SỐ Ô TÔ

Mã số: T2014 - 59

TP HCM, 11/2014

DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

TT Họ và tên Lãnh vực chuyên môn / Đơn vị công tác Nội dung nghiên cứu được giao

1 Trần Đình Quý Ô tô- máy kéo

/ Bộ môn Khung gầm

Viết chương trình tính toán các thông số của bánh răng hộp số ô tô

MỤC LỤC

Danh mục hình

Thông tin kết quả nghiên cứu

Tài liệu tham khảo

Hình 7: Tạo giao diện chương trình

Hình 8: Thay đổi định danh (Tag)

Hình 9: Giao diện chương trình

Mẫu 8 Thông tin kết quả nghiên cứu

ĐH SPKT TP HCM

Đơn vị: Khoa Cơ khí Động lực

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1 Thông tin chung:

- Tên đề tài: Viết chương trình tính toán các thông số của bánh răng hộp số ô tô

- Thời gian thực hiện: hoàn thành trước 05/11/2014

2 Mục tiêu: tạo ra một công cụ tốt, hiệu quả trong tính toán xác định thông số hình học

bánh răng hộp số ô tô, góp phần giúp sinh viên nâng cao hiệu quả học tập, nghiên cứu

3 Tính mới và sáng tạo: sử dụng máy tính như một công cụ hiệu quả trong công việc

chuyên môn, học tập

4 Kết quả nghiên cứu: có được một công cụ tốt trong tính toán bánh răng hộp số ô tô

5 Sản phẩm: Chương trình máy tính tính toán xác định thông số hình học bánh răng hộp

số ô tô

6 Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng:

- Giúp sinh viên trong học tập, nghiên cứu chuyên môn

tính toán thiết kế một số cụm chi tiết tổng thành ô tô được thiết kế sát với các nội dung học tập của sinh viên để có thể trở thành công cụ đắc lực hỗ trợ việc học tập, nghiên cứu môn học Ô tô 2 (Tính toán thiết kế ô tô) của các sinh viên chuyên ngành Trong phân bố chương trình đào tạo chuyên ngành Cơ khí Động lực, thời lượng dành cho môn học Ô tô 2 (Tính toán thiết kế ô tô) không nhiều Sinh viên CKD cũng chưa có nhiều thời gian để thực hiện các bài tập tính toán thiết kế ôtô; trong trường hợp nếu hoàn thành các bài tập này thì cũng thiếu công cụ để tự đánh giá kết quả Hơn nữa, trong một số trường hợp cần có ngay những thông số kết cấu của chi tiết, hệ thống, …nhưng việc tính toán thủ công lại mất nhiều thời gian

Đề tài nghiên cứu khoa học “Viết chương trình tính toán các thông số của bánh răng hộp số ô tô” được thực hiện như một cố gắng cung cấp cho những người

làm việc, học tập trong lĩnh vực ô tô có thêm một công cụ lựa chọn giúp nâng cao hiệu quả học tập

Cách tiếp cận:

Hộp số ô tô có nhiệm vụ thay đổi tỉ số truyền và momen xoắn truyền từ động cơ xuống bánh xe chủ động phù hợp với momen cản luôn thay đổi theo chế độ vận hành của xe bảo đảm tận dụng tối đa công suất động cơ.(bảo đảm tính năng động lực học và tính kinh tế của ô tô) Hộp số phải có hiệu suất truyện động cao, bền, làm việc êm, kết cấu gọn,…

Hộp số loại điều khiển bằng tay sử dụng trên ô tô thường là hộp số có cấp, loại

3 trục truyền công suất thông qua các bộ truyền bánh răng Khoảng cách trục, mô đun răng, góc nghiêng,… ảnh hưởng nhiều đến bố trí chung của hộp số, sức bền của các chi tiết cũng như độ ồn phát ra trong quá trình làm việc Việc chọn, tính toán xác định các thông số của bánh răng cần thực hiện một cách cẩn thận để có được

một hộp số đáp ứng các yêu cầu về tính năng, về độ bền, về độ ồn, dễ chế tạo (tính công nghệ), thuận tiện cho bảo dưỡng- sửa chữa cũng như dễ sử dụng

Trên cơ sở các tỉ số truyền của các tay số hộp số đã có được từ tính toán sức kéo

ô tô, sơ đồ động học, kết hợp với các yêu cầu đặt ra của bài toán thiết kế tính toán ô

tô (cụ thể là hộp số ô tô 3 trục từ đó xây dựng được mối quan hệ giữa các thông số

cơ bản của các bánh răng hộp số, khoảng cách trục, momen cần truyền , tiến tới đưa

ra các bước tính toán xác định các thông số này

Xây dựng lưu đồ thuật toán và lựa chọn một ngôn ngữ lập trình thích hợp với tính toán kỹ thuật, phổ biến và viết chương trinh

Phương pháp nghiên cứu: phân tích và tổng hợp lý thuyết

Đối tượng nghiên cứu:

Đối tượng nghiên cứu là các bánh răng hộp số ô tô, cụ thể là các thông số của bánh răng: modul, số răng, góc nghiêng, khoảng cách trục , cách xác định các thông

số này với sự hỗ trợ của công cụ tin học

Phạm vi, nội dung nghiên cứu::

Công việc tính toán hộp số được thực hiện qua các bước cụ thể sau:

1 Chọn sơ đồ động, số tay số dựa trên cơ sở điều kiện sử dụng, điều kiện kỹ thuật cho trước, khả năng chế tạo

2 Tính toán sức kéo ô tô, xác định tỉ số truyền cả hệ thống truyền lực

3 Phân chia phù hợp tỉ số truyền các cụm của hệ thống truyền lực,

4 Tính toán xác định tỉ số truyền các tay số hộp số

5 Xác định kích thước các chi tiết hộp số, bố trí chung hộp số và kiểm tra sự làm việc giữa các chi tiết với nhau

Việc tính toán các thông số hình học của bánh răng hộp số chỉ là một phần việc nhỏ trong bước thứ 5 nói trên Công việc này có thể thực hiện qua các bước sau:

Dựa vào tình hình thực tế về thời gian, căn cứ vào kinh phí được khoán, người thực hiện đưa ra các nhiệm vụ cụ thể đề tài cần thực hiện và phạm vi thực hiện của

đề tài Nhiệm vụ của đề tài là viết chương trình máy tính xác định thông số hình học của bánh răng hộp số 3 trục có cấp trên ô tô: số răng của các bánh răng khi các bánh răng có cùng modul pháp tuyến, cùng góc nghiêng răng

TÓM TẮT NỘI DUNG

I PHÂN TÍCH BÀI TOÁN

1 Phân tích bài toán:

Hộp số có cấp trên ô tô với cách bố trí động cơ đặt trước, cầu chủ động đặt sau (FR) thường là hộp số 3 trục (còn gọi là hộp số đồng trục hay hộp số đồng tâm) Kết cấu hộp số đồng trục thường có ít nhất 3 trục truyền động: trục sơ cấp, trục thứ cấp

và trục trung gian Trục sơ cấp và trục thứ cấp đồng trục với nhau và có thể nối liền trục với nhau Trục trung gian có thể có một, hai hoặc ba trục bố trí chung quanh trục sơ cấp và trục thứ cấp nhằm làm tăng độ vững trãi cho trục thứ cấp, duy trì sự

ăn khớp cho các cặp bánh răng trên các trục

Hộp số 3 trục cho phép tạo ra số truyền thẳng (không qua cặp bánh răng nào) nên hiệu suất cao nhất, có thể coi như bằng 1 nếu bỏ qua các tổn thất khác Điều này

có ý nghĩa rất lớn đối với hộp số ô tô vì phần lớn thời gian làm việc của hộp số là số truyền thẳng (chiếm tỉ lệ đến 50÷80%), cho phép nâng cao hiệu suất truyền của hộp

số và do đó giảm tiêu hao nhiên liệu và làm tăng tuổi thọ của hộp số Loại hộp số kiểu này được sử dụng rộng rãi trên hầu hết các loại ô tô (từ xe khách , xe du lịch đến xe tải)

Tuy vậy hộp số kiểu này có nhược điểm là có trục thứ cấp phải bố trí gối lên trục sơ cấp thông qua ổ bi đăt bên trong phần rỗng của đầu ra trục sơ cấp Do bị khống chế bởi điều kiện kết cấu (kích thước ngoài đầu trục có bánh răng chủ động truyền momen xuống cho trục trung gian) nên ổ bi này có thể không được chọn theo tiêu chuẩn tính toán ổ bi mà phải thiết kế riêng Điều này có thể làm cho ổ bi này dễ

bị tình trạng quá tải Tuy nhiên, nhờ đặc điểm nổi bật là có khả năng truyền thẳng như đã nêu ở trên, nên thực tế ổ bi này làm việc không nhiều, ít ảnh hưởng đến tuổi thọ của ổ bi

Với hộp số đồng trục có nhiều trục trung gian cho phép tăng độ cứng vững của trục thứ cấp, do đó khắc phục được nhược điểm nêu trên Mặt khác do điều kiện ăn khớp của các bánh răng tốt hơn nên cải thiện được hiệu suất của hộp số một cách đáng kể Về cấu tạo, kiểu hộp số có nhiều trục trung gian khá cồng kềnh và phức tạp làm nặng thêm về hộp số, vì vậy chúng chỉ sử dụng trên các ô tô tải lớn hoặc cực lớn

Giới thiệu sơ đồ động học một hộp số 3 trục :

Nguyên lý làm việc :

Momen xoắn từ động cơ, qua ly hợp truyền đến trục sơ cấp hộp số, qua cặp bánh răng luôn ăn khớp Za và Z’a truyền sang trục trung gian Từ trục trung gian, momen xoắn tiếp tục được truyền đến trục thứ cấp, từ đó tiếp tục được truyền đến các đăng, cầu xe, bánh xe chủ động như sau :

- Ở tay số 1, bánh răng Z’1 được gài với bánh răng Z1 ; momen xoắn từ trục trung gian thông qua sự ăn khớp của cặp bánh răng này truyền đến trục thứ cấp,… và ra đến bánh xe chủ động Đường truyền momen như sau : Trục sơ cấp  Za  Z’a trục trung gian  Z1  Z’1  trục thứ cấp …

- Ở tay số 2, bộ đồng tốc gài cứng bánh răng Z’2 với trục thứ cấp Đường

- Ở tay số 3 (số truyền thẳng), bộ đồng tốc được đưa về phía trái, gài cứng

cấp đến trục thứ cấp qua bánh răng Za và bộ đồng tốc … Đường truyền

- Ở tay số lùi, bánh răng răng Z’1 được gài với bánh răng Z’lùi gắn trên trục trung gian số lùi nằm bên hông ; momen xoắn từ trục trung gian thông qua sự

ăn khớp của cặp bánh răng Zlùi – Z’lùi truyền bánh răng Z’1, đến trục thứ

cấp sẽ quay theo chiều ngược lại, xe sẽ chuyển động lùi Đường truyền momen như sau : Trục sơ cấp  Za  Z’a trục trung gian  Zlùi  Z’lùi

Trục thứ cấp Trục sơ cấp

Trục trung gian

Thanh trượt Gắp số

Trục trung gian tay số lùi Z’ a

Hình 1 : Sơ đồ động học hộp số 3 trục, 3 số tiến, 1 số lùi

Trong hộp số 3 trục, các trục sơ cấp và thứ cấp đồng trục với nhau, và song song với trục trung gian Khoảng cách trục các cặp bánh răng ăn khớp với nhau chính là khoảng cách giữa trục sơ cấp ( hoặc trục thứ cấp) với trục trung gian, nghĩa

là khoảng cách trực của các cặp bánh răng ăn khớp luôn bằng nhau Ở tất cả các tay

số (ngoại trừ số truyền thẳng), momen truyền từ trục sơ cấp đến trục thứ cấp luôn qua 2 cặp bánh răng, trong đó có cặp bánh răng ăn khớp thường xuyên Za - Z’a Công suất, momen cần truyền càng lớn thì nên chọn modul răng lớn Modul bánh răng càng lớn thì răng càng cứng vững, bền nhưng khi làm việc sẽ có tiếng ồn, số răng, khoảng cách trục cũng lớn khiến cho bộ truyền trở nên công kềnh, vì thế khi chọn modul cho bánh răng cần cân nhắc Ngoài ra, khi lựa chọn modul, góc nghiêng, tính chọn số răng cần lưu ý đến tính công nghệ, dãy modul ưu tiên, dễ chế tạo, …

Mối quan hệ giữa các đại lương, thông số :

Tỉ số truyền các tay số hộp số : ihn = (Z’a / Za).( Z’i / Zi) = ia.igi ; igi=

Với : ia : tỉ số truyền cặp bánh răng Za - Z’a

igi : tỉ số truyền cắp bánh răng gài tay số thứ i Zi - Z’i

Quan hệ giữa khoảng cách trục A với số răng, tỉ số truyền:

A =

i

i i i 2

2 2 2 1

1 1 1

βcos2

)z(zm

βcos2

)z(zmβ

cos2

)z(z

a a a

βcos2

)i1(.zmβ

cos2

)z(z

βcosA

2

a a

β cos A 2

gi i

i



i

z = zi .igi Với: i – góc nghiêng răng của bánh răng thứ i

mi – modul pháp tuyến bánh răng thứ i

3 max e M C

a

hiii

a – góc nghiêng răng của bánh răng luôn ăn khớp

ma– modul pháp tuyến bánh răng luôn ăn khớp

Qua phân tích sơ đồ động học hộp số 3 trục, mối quan hệ giữa các thông số, đại lượng một vài thông số, kích thước cơ bản của hộp số có thể được chọn trước; các thông số hình học còn lại sẽ được tính toán xác định

2 Tính toán xác định các thông số hình học bánh răng:

+ Thông số ban đầu:

- Loại xe

- Momen xoắn cực đại động cơ

- Sơ đồ động hộp số

- Tỉ số truyền từng tay số hộp số (theo kết quả tính toán sức kéo ô tô)

+ Nhiệm vụ tính toán: căn cứ vào loại xe, chọn hệ số kinh nghiệm, chọn hoặc tính modul pháp tuyến, góc nghiêng răng Thực hiện các tính toán trung gian: tính khoảng cách trục, tính tỉ số truyền cặp bánh răng luôn ăn khớp, cặp bánh răng gài

số Tính số răng của từng bánh răng

+ Kết quả nhận được: xác định được các thông số hình học của bánh răng hộp số

Các bước thực hiện tính toán:

2.1.Chọn khoảng cách trục của các bánh răng:

Dựa vào công thức kinh nghiệm A= C3 Memax (mm)

Với xe du lịch C= 1316

Với xe dùng động cơ diesel : C =2021

2.2 Chọn modul pháp tuyến các bánh răng:

Dựa vào công thức kinh nghiệm, hoặc đồ thị kinh nghiệm để chọn

Công thức kinh nghiệm: 𝑚𝑛 = (0.032 ÷ 0.04).A

Hình 3: Đồ thị để chọn modul pháp tuyến bánh răng hộp số

a – dành cho bánh răng có răng thẳng

b – dành cho bánh răng có răng nghiêng

Khi chọn modul cho các bánh răng phải đảm bảo các yêu cầu sau:

 Bánh răng làm việc phải gây ít tiếng ồn

 Truyền mômen phải đều đặn, ăn khớp đúng mặc dù có sự sai lệch một ít về khoảng cách giữa đường tâm các bánh răng ăn khớp

 Chọn modul cho các bánh răng trong hộp số ta nên chọn cùng một giá trị để đơn giản trong công nghệ chế tạo và sửa chữa

Giá trị modul pháp tuyến (mm) là tiêu chuẩn theo dãy số sau (dãy 1 là dãy ưu tiên):

Dãy 1: 1; 1,25; 1,5; 2; 2,5; 3; 4; 5; 6; 8; 10; 12; 16; 20; 25

Dãy 2: 1,125; 1,375; 1,75; 2,25; 2,75; 3,5; 4,5; 5,5; 7; 9; 11; 14; 18; 22

2.3 Tính toán xác định số răng của các bánh răng hộp số:

Số răng bánh chủ động trong cặp bánh răng luôn luôn ăn khớp được chọn theo điều kiện không bị cắt chân răng với số răng từ 17 trở lên ( Za ≥ 17 ) đối với răng không dịch chỉnh và từ 14 răng trở lên ( Za ≥ 14 ) đối với răng có dịch chỉnh Khi chọn Za không nên chọn nhỏ quá để tránh khó khăn trong việc bố trí ổ bi của trục thứ cấp

2.3.2 Tính tỉ số truyền ia của cặp bánh răng luôn ăn khớp :



za n m

2.3.3 Tính số răng Za’ của bánh răng bị động của cặp bánh răng luôn luôn ăn khớp theo công thức: Za’=Za ia

Kết quả tính theo công thức nói trên có thể là một số thập phân, ta phải chọn lại

để số răng Za’ phải là một số nguyên dương ; lúc này với giá trị mới của Za’ thì khoảng cách trục A, tỉ số truyền ia đã thay đổi, ta cần tính lại :

𝑖𝑎 = 𝑍′𝑎

, A=

cos 2

) '

hiii

2.3.5 Tính toán xác định số răng của các bánh răng Zi, Zi ’

Ta có : 𝒁𝒊 = 𝟐.𝐀.𝐜𝐨𝐬𝜷

𝐦𝐧(𝟏+𝐢𝐠𝐢) ; Z i

’ = Z i i gi

Lưu ý: cần chọn lại số răng là số nguyên dương, tổng số răng của các bánh răng gài

ăn khớp nhau phải bằng nhau và bằng tổng số răng căp bánh răng luôn ăn khớp để bảo đảm điều kiện cùng khoảng cách trục (vì các bánh răng này có cùng modul,

cùng góc nghiêng, cùng khoàng cách trục,…)

3 XÂY DỰNG LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT CHƯƠNG TRÌNH

Để giúp cho học viên, sinh viên có thể nâng cao khả năng lập luận, chọn phương

án cho tính toán cũng như hiểu rõ hơn ảnh hưởng qua lại của các thông số kích thước, chương trình sẽ không có phần phân tích kết quả tính toán, so sánh với giá trị cho phép, bình luận mà dành phần này cho thảo luận nhóm hay thảo luận trên lớp

Lưu đồ giải thuật (góc nghiêng tất cả các bánh răng bằng nhau):

Bắt đầu

Tính:

+khoảng cách trục A + tỉ số truyền ia, i1, i2, i3, i4, i5

+số răng của bánh răng z a z1 z 1 , z2 z 2……

Kết thúc

Nhập:

+ Loại xe + Mômen lớn nhất của đông cơ

Memax (Nm) + Tỉ số truyền (i1, i2, i3, i4, i5 ) + Chọn za, C, mn, 𝛽

Xuất kết quả

za z a z1 z 1 , z2 z 2……