Đồ án: kết cấu và tính toán ô tô - TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỘP SỐ

Kết cấu và tính toán ô tô

Đồ án môn học



Đồ án: kết cấu và tính toán ô tô

Sinh viên : Hoàng Ngọc Bình

1

Lớp: 98 C4A


Kết cấu và tính toán ô tô

Đồ án môn học
MỤC LỤC

Trang
LỜI NÓI ĐẦU ...........................................................................................................2
1.CÔNG DỤNG , YÊU CẦU , PHÂN LOẠI ............................................................3
2.CHỌN LOẠI HỘP SỐ VÀ SỐ TAY SỐ ................................................................4
2.1.CHỌN LOẠI HỘP SỐ: ..........................................................................................4
2.2. XÁC ĐỊNH TỈ SỐ TRUYỀN ,SỐ CẤP.................................................................5
2.3. SƠ ĐỒ ĐỘNG CỦA HỘP SỐ...............................................................................8
2.4 XÁC ĐỊNH TỶ SỐ TRUYỀN CÁC TAY SỐ TRUNG GIAN ............................. 10
3. XÁC ĐỊNH CÁC KÍCH THƯỚC CHÍNH CỦA HỘP SỐ.................................11
3.1. CÁC KÍCH THƯỚC CƠ BẢN CỦA TRỤC ....................................................... 11
3.1.1. Khoảng cách giữa các trục của hộp số:.......................................................... 11

3.1.2.Kích thước chiều trục của hộp số: ..................................................................11
3.1.3. Đường kính trục của hộp số: ..........................................................................12
3.1.4. Kích thước và loại ổ trục: ...............................................................................12
3.2. CÁC THÔNG SỐ CHÍNH CỦA BÁNH RĂNG:.................................................13
3.2.1.Số răng tổng của các cặp bánh răng: .............................................................. 14
3.2.2. Xác định số răng của các bánh răng:............................................................. 14
3.2.3. Mômen truyền đến trục tại các bánh răng của từng tay số: ......................... 18
3.2.4. Lực tác dụng lên các bánh răng:....................................................................19
3.2.5 Tính ứng suất tiếp xúc .....................................................................................22
3.2.6. Tính sức bền của trục .....................................................................................23
4. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÁC CHI TIẾT VÀ CÁC CỤM CỦA HỘP SỐ.......26
4.1. TÍNH ĐƯỜNG KÍNH TRỤC VÀ KIỂM TRA ĐỘ CỨNG VỮNG.....................26
4.1.1. Chọn sơ bộ kích thước trục:...........................................................................26
4.1.2. Tính trục theo cứng vững ...............................................................................26
4.2. TÍNH TOÁN ĐỒNG TỐC ..................................................................................31
4.2.1. Nhiệm vụ tính toán: ........................................................................................ 31
4.2.2. Sơ đồ tính đồng tốc ......................................................................................... 31
4.2.3. Trình tự tính toán đồng tốc ............................................................................32
4.2.4. Tính toán kiểm tra:......................................................................................... 36
4.2.5. Xác định góc vát bề mặt hãm () của bộ phận khóa: ....................................37
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................ 38

Sinh viên : Hoàng Ngọc Bình

2

Lớp: 98 C4A


Kết cấu và tính toán ô tô

Đồ án môn học

LỜI NÓI ĐẦU
Ô tô máy kéo là phượng tiện sản xuất và kinh doanh trong sinh hoạt, không thể
thiếu được trong đời sống hiện nay. Cùng với sự tiến bộ chung của khoa học. Ngành ô
tô cũng có những bước phát triển mới với những thành quả quan trọng. Những biến
đổi mà đòi hỏi phải có những nhận thức mới sâu rộng, những vấn đề đó có liên quan
đến công nghệ ô tô.
Tuy vậy muốn tiếp thu những kiến thức mới này thì phải nắm vững những kiến
thức cơ bản nhất. Những kiến thức này sẽ làm nền tản cho bước phát triẻn tiếp theo.
Vì vậy đồ án kết cấu và tính toán ô tô là một bước cũng cố và phát triển những
hiểu biết cơ bản có từ những môn học có liên quan.
Lần đầu tiên làm quen với việc tính toán thiết kế nên có rất nhièu khó khăn phức
tạp. Với những nhận thức còn hạn chế về nhiều mặt nên quá trình làm đồ án em còn
vướng phải những thiếu sót, rất mong sự quan tâm giúp đỡ của các thầy trong bộ môn.
Để hoàn thành đồ án này em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của
thầy LÊ VĂN TỤY các thầy trong bộ môn và các bạn trong lớp.

Sinh viên thực hiện
Đinh Tuấn Vũ

1. CÔNG DỤNG , YÊU CẦU , PHÂN LOẠI
1.1. CÔNG DỤNG :
Hộp số dùng để thay đổi số vòng quay và momen của động cơ truyền đến các bánh xe
chủ động (cả về trị số và hướng) , cho phù hợp với điều kiện làm việc luôn luôn thay
đổi của ô tô máy kéo , mà tự thân động cơ không đáp ưng được ,do:

Sinh viên : Hoàng Ngọc Bình

3

Lớp: 98 C4A


Kết cấu và tính toán ô tô

Đồ án môn học

- Hệ số thích ứng mômen thấp (K= 1,05 1,25)
- Số vòng quay ổn định tối thiểu tương đối cao.
- Chiều quay không tự thay đổi được.
Ngoài ra, hộp số còn dùng để :
- Tách lâu dài động cơ khỏi hệ thống truyền kực khi cần thiết ,như khi khởi động
động cơ , khi dừng xe cho động cơ chạy không tải , khi cho xe chạy theo quán
tính . . .
- Dẫn động các bộ phận công tác trên các xe chuyên dùng , như xe có tời ,kéo ,xe
tự đổ ,cần cẩu . . . và các thiết bị khác .
1.2. YÊU CẦU
Có tỷ số truyền và số lượng tay số thích hợp , đảm bảo được chất lượng dộng lực
và có tính kinh tế nhiên liệu cần thiết cho ô tô máy kéo.
- Làm việc êm dịu ,chuyển số nhẹ nhàng thuận tiện , không va đạp.
- Có vị trí trung gian để có thể cắt lâu dài động cơ khỏiû hệ thống truyền lực.
- Kết cấu đơn giản , làm việc tin cậy , bền vững.
- Hiệu suất cao ,kích thước khối lượng nhỏ , giá thành rẻ.
1.3. PHÂN LOẠI
-

-

-

Theo phương pháp điều khiển chia ra các loại : điều khiển bằng tay, điều khiển tự
động và bán tự động .
Theo số cấp phân ra các loại:3,4,5 và nhiều cấp.
Theo sơ đồ động ,phân ra: Hộp số với các trục cố định và hộp số hành tinh.
Theo số lượng phần tử điều khiển càn thiết để gài một số truyền ,phân ra:
một,hai,hay ba phần tử điều khiển .Số lượng phần tử điều khiển lớ hơn một
thường dùng trong hộp số nhiều cấp.
Theo số lượng dòng lực , phân ra : một ,hai, hay ba dòng.Tăng số lượng dòng lực
làm phức tạp kết cấu . Tuy vậy cho phép giảm tải trọng tác dụng lên các báng
răng,trục va ổ trục cũng nhue kích thước của chúng.

2.CHỌN LOẠI HỘP SỐ VÀ SỐ TAY SỐ
2.1.CHỌN LOẠI HỘP SỐ:
Trên ô tô hiện nay, sử dụng chủ yếu các loại hộp số có trục cố định, điều khiển
bằng tay. Loại hộp số này có ưu điểm là kết cấu đơn giản, hiệu xuất cao (0,96  0,98),
kích thước và trọng lượng nhỏ.
Trong các loại hộp số trên, hộp số ba trục cố định, có trục sơ cấp và trục thứ cấp
đồng tâm được sử dụng phổ biến nhất vì có ưu điểm là: có khả năng tạo số truyền
thẳng bằng cách nối tiếp các trục sơ cấp và thứ cấp. Khi làm việc ở số truyền thẳng, các
bánh răng, ổ trục và trục trung gian hầu như được giảm tải hoàn toàn nên giảm được
mài mòn, tiếng ồn và mất mát công suất.

Sinh viên : Hoàng Ngọc Bình

4

Lớp: 98 C4A

Kết cấu và tính toán ô tô

Đồ án môn học

Ở các số truyền khác, mô men truyền qua hai bánh răng, do đó có thể tạo được tỷ số
truyền lớn với kích thước khá nhỏ gọn. Nhờ đó giảm được trọng lượng toàn bộ của ô
tô.
Tuy nhiên loại hộp số này có nhược điểm là:
- Hiệu suất giảm ở các tay số trung gian
- Ổ bi gối đỡ trước trục thứ cấp, do bố trí trong lỗ ở phần bánh răng công xôn
của trục sơ cấp, nên làm việc căng thẳng vì kích thước bị hạn chế bởi điều kiện kết cấu.

Hình 2.1. Sơ đồ động hộp số ba trục
Ngoài hộp số có ba trục cố định, có trục sơ cấp và thứ cấp đồng tâm còn có hộp
số có hai trục cố định, loại hộp số này có ưu điểm là:
- Kết cấu đơn giản, làm việc êm dịu và có hiệu suất cao ở các tay số trung gian.
- Dễ bố trí và đơn giản được kết cấu, hệ thống truyền lực khi xe đặt động cơ
gần cầu chủ động.
Tuy vậy loại hộp số có hai trục cố định có nhược điểm là:
- Do không có số truyền thẳng, vì thế các bánh răng ổ trục không được giảm tải
ở số truyền cao, làm tăng mài mòn các chi tiết, đồng thời gây tiếng ồn.
- Giá trị tỷ số truyền tay số thấp bị hạn chế, muốn khắc phục phải giảm tỷ số
truyền của tay số cao nhất và tăng tỷ số truyền lực chính io. Với đặc điểm trên cho nên
hộp số hai trục thường được sử dụng trên các ô tô du lịch và thể thao có động cơ bố trí
cạnh cầu chủ động hoặc trên máy kéo có hộp số bố trí chung trong cùng một vỏ với
truyền lực chính.

Sinh viên : Hoàng Ngọc Bình

5

Lớp: 98 C4A


Kết cấu và tính toán ô tô

Đồ án môn học

Hình 2.1. Sơ đồ động hộp số hai trục
Ô tô để thiết kế là loại ô tô vận tải dùng để vận chuyển hàng hoá, làm việc ở điều
kiện thường xuyên thay đổi tải, có tỷ số truyền lớn nên ta chọn hộp số ba trục cố định,
có trục sơ cấp và thứ cấp đồng tâm vì: hộp số này có ưu điểm nổi bậc là trục sơ cấp và
thứ cấp đồng tâm cho nên có thể làm số truyền thẳng, trong trường hợp này hiệu suất
bằng một. Đây là điều quan trọng đối với ô tô vận tải vì thời gian ô tô vận tải làm việc
ở số truyền thẳng chiếm tỉ lệ cao. Mặc khác khi ô tô chạy trên đoạn đường bằng phẳng
có thể gài số truyền thẳng, do đó thời gian sử dụng tay số trung gian sẽ it đi. Vì vậy
tuổi thọ ô tô được kéo dài.

2.2. XÁC ĐỊNH TỶ SỐ TRUYỀN , SỐ CẤP
2.2.1. Xác dịnh tỷ số truyền
Tỷ số truyền được xác định theo [ 6 ]
-Khả năng thắng sức cản lớn nhất trong điều kiện cho trước
 max .G.rbx
ih1 
Memaî .i0 . t
Trong đó : Theo đề bài cho trước
 max = 0,3 : hệ số cản lớn nhất của đường
G = 155000(N) :Trọng lượng toàn bộ xe
rbx = 0,5 (m) : bán kính bánh xe

Memax = 617 (Nm) :Mômen cực đại
i0 = 6 : Tỉ số truyền lực chính
Theo [6] : ta có  t = 0,75  0,85
chọn  t =0,8
Vậy :

ih1 

0,3.155000.0,5
= 7,8
617.6.0,8

- Khả năng tạo được lực cản lớn nhất theo điều kiện bám
G . ..rbx
ih1  
Memax .i0 . t
Trong đó : Theo đề cho
G = (70.155000)/100=108500(N) :Trọng lượng bám của xe
rbx = 0,5(m) :bán kính bánh xe
Memax = 617(Nm) : Mômen cực đại
i0 = 6 : Tỉ số truyền lự chính
Theo [6]:ta có  t = 0,75  0,85 chọn  t =0,8

Sinh viên : Hoàng Ngọc Bình

6

Lớp: 98 C4A

Kết cấu và tính toán ô tô

Đồ án môn học

 =0,7  0,8
chọn  =0,75
108500.0,75.0,5
Vậy : ih1 
= 13,7
617.6.0,8
-Khả năng chuyển động với tốc dộ ổn định tối thiểu để có thể cơ động trong điều
kiện địa hình chật hẹp
0,377.ne min .rbx
ih1 
Vn min .i0 .i p

Trong đó : Vn min :tốc độ chuyển động ổn định nhỏ nhất
Vn min  4  5 (km/h) chon Vn min =5 (km/h)
ne min : vòng quay ổn dịnh tối thiểu của động cơ
Đốivới động cơ điêzel ne min =350  700(v/ph) chọn ne min =500(v/ph)
Vậy:

ih1 

0,377.500.0,5
=3,14
5.6.1
7,8  ih1  13,7

Theo 3 điều kiện trên :

Ta chọn
ih1  8,5
2.2.2. Số cấp của hộp số.
Hộp số của ô tô thuyết kế là loại ô tô tải,vì vậy để nâng cao tính chất động lực học của
ô tô, nâng cao hiệu suất của hệ thống truyền lực nên chọn được tỷ số truyền ở tay số
cao nhất của hộp số là số truyền thẳng nghĩa là ihn= 1.
Số cấp của hộp số (n) được xác định phụ thuôc vào:
- Chủng loại và công dụng của ô tô
- Vào giá trị khoảng tỷ số truyền Ki
Ki = ih1/ihn
(2.1)
Trong đó: ih1 là tỷ số truyền tay số một của hộp số.
ihn là tỷ số truyền tay số cao nhất của hộp số.
Nói chung, tăng số cấp hộp số sẽ tăng được mức độ sử dụng công suất động cơ,
tăng tính kinh tế nhiên liệu, tốc độ trung bình và bởi vậy, tăng năng suất và giảm giá
thành vận chuyển.Tuy vậy tăng số cấp sẽ làm phức tạp kết cấu và quá trình điều khiển,
tăng kích thước, và giá thành hộp số. Đối với ô tô tải số cấp hộp số có thể từ n = 6  22
ừng với Ki = 5  25. Ki càng lớn số cấp càng tăng. Sau đây là bảng số liệu thống kê của
ô tô tải theo giá trị khoảng truyền Ki.
Bảng 2.1 Bảng giá trị tay số của ô tô tải theo khoảng tỷ số truyền Ki
Khoảngsố
5,78,5
5,78,5
5,78,5
5,78,5
5,78,5
5,78,5
truyền Ki
Số cấp n
5

6
8
10
16
20
Tuy nhiên hiện nay có su hướng tăng số cấp và khoảng tỷ số truyền khi tăng
khối lượng ô tô, đặc biệt là đối với đoàn xe kéo moóc, để bù lại cho sự giảm công suất
riêng của chúng.Tăng số cấp và khoảng tỷ số truyền của hộp số các ô tô tải trọng lớn,

Sinh viên : Hoàng Ngọc Bình

7

Lớp: 98 C4A


Kết cấu và tính toán ô tô

Đồ án môn học

cho phép sử dụng hiệu quả hơn công suất động cơ khi ô tô làm việc với các mức tải và
điều kiện đường xá khác nhau. Đối vớicác ô tô này, trong vùng các số hay sử dụng
nhất, khoảng cách giữa tỷ số truyền giữa các tay số kề nhau.
qi,i+1 = ihi/ih(i+1) cần phải nằm trong giới hạn 1,31,4. Khoảng này lớn sẽ làm tăng suất
tiêu hao nhiên liệu và giảm chất lượng động lực học của ô tô và khó chuyển tay số.
Khoảng cách nhỏ quá lại làm cho người lái khó khăn trong vấn đề lựa chọn tay số thích
hợp. Ở các tay số ít sử dụng hơn, khoảng cách giữa các số có thể tăng lên. Tuy vậy
không nên quá 1,61,7 để bảo đảm khả năng chuyển số.
Kết hợp hai điều kiện trên và giả thuyết dãy tỷ số truyền bố trí theo cấp số nhân,
có thể xác định sơ bộ:

lg( K i )
lg( K i )
 n- 1 
lg( q ti ,i 1 )
lg( q ci ,i 1 )

(2.2)

Ở đây qti,i+1 khoảng cách tỷ số truyền hai số liên tiếp ở vùng số thấp
qti,i+1 = 1,61.7 chọn qti,i+1 = 1,7
qci,i+1 khoảng cách tỷ số truyền hai số liên tiếp ở vùng số cao qci,i+1 = 1,31,4
chọn qci,i+1 = 1,4 ; n: số cấp
Tỷ số truyền thấp nhất i1 = 8,5
Tỷ số truyền ở tay số cao nhất ihn = 1
Ki= i1 /ihn = 8,5/ 1 =8.5
thay vào công thức 2.2 ta có:
lg(8,5)
 n- 1 
lg(1,7)
0,929
 n- 1 
0,23

lg(8,5)
lg(1,4)
0,929
0,15


5,04 n  7,2

Vậy ta chọn hộp số có 5 cấp (n=5)
Do ô tô chạy có khi cần phải quay đầu vì vậy ta chọn thêm một tay số lùi để
thuân lợi cho việc điều khiển ô tô.
2.3. SƠ ĐỒ ĐỘNG CỦA HỘP SỐ
Sơ đồ động của các hộp số ba trục có trục thứ cấp như nhau, khác nhau chủ yếu
ở số lượng các cặp bánh răng luôn luôn ăn khớp và cách bố trí số lùi.
Ở hầu hết các tay số đều sử dụng cặp bánh răng nghiêng thường xuyên ăn khớp.
Để gài số, có thể dùng ống gài hoặc đồng tốc. Riêng đối với các bánh răng số một và số
lùi có thể dùng các phương án sau: Bánh răng số một và số lùi luôn ăn khớp thường sử
dụng trong trường hợp thời gian làm việc ở số một và số lùi khá lớn.
Ưu điểm: mặt dầu các vành răng không bị ăn mòn, hành trình của nạng chuyển
số nhỏ. Nhược điểm: cần đặt tự do trên trục thứ cấp một bánh răng số lùi kích thước
khá lớn, do đó làm tăng số lượng các bánh răng và mô men quán tính các chi tiết quay,
bởi vậy tăng tải trọng tác dụng lên các đồng tốc.

Sinh viên : Hoàng Ngọc Bình

8

Lớp: 98 C4A


Kết cấu và tính toán ô tô

Đồ án môn học

Ngoài ra còn có cách bố trí bánh răng số lùi không luôn luôn ăn khớp, cả bánh
răng số lùi và số một không luôn luôn ăn khớp. Tuy nhiên vẫn còn có hai phương án
không cần có bánh răng số lùi đặt riêng trên trục thứ cấp. Để gài số lùi và số một dùng
bánh răng di trượt. Bánh răng trung gian(đặt trên trục số lùi) có thể làm một hay hai

vành răng. Phương án một vành răng có kết cấu đơn giản hơn, tuy vậy điều kiện làm
việc của bánh răng không có lợi, chụi ứng suất uốn thay đổi theo chu trình đối xứng.
Phương án hai điều kiện ứng suất thuận lợi hơn: thay đổi theo chu trình mạch động,
cho phép thực hiện số lùi với tỷ số truyền lớn hơn.
Chọn phương án bố trí số lùi là cả bánh răng số một và số lùi đều không luôn
luôn ăn khớp. Vì có đặc điểm gài số lùi rất dễ dàng, chỉ cần dịch chuyển bánh răng số I
z4

z4

z3

z1
z5

z5

z1

z2

z3
z2
Hình 2.3. Sơ đồ
bố trí số lùi trên ô tô thiết kế
Bánh răng các tay số thấp(như số một và số lùi) chụi lực lớn thời gian làm việc
ít hơn, nên bố trí sát gối đỡ sau. Bánh răng tay số cao thời gian làm việc nhiều,bố trí ở
khoảng giữa trục, là vùng có góc xoay nhỏ nhất, nhờ đó điều kiện ăn khớp của các
bánh răng tốt hơn nên giảm được tiếng ồn và mài mòn.
Hầu hết các tay số đều dùng bánh răng nghiêng và đồng tốc. Các tay số một và

số lùi có thể có răng thẳng gài băng phương pháp duy trượt. Mặt khác ở các tay số
2,3,4,5 khi sang số vì có tốc độ lớn nên mặt dù đã cắt bộ ly hợp song do quán tính nên
các bánh răng còn quay với tốc độ khác nhau, nếu gài vào sẽ sinh ra lực va đập. Để
khắc phục hiện tượng trên và đơn giản hóa thao tác cho người lái nên trên hộp số có bố
trí hai bộ đồng tốc để gài số ở số hai và số ba, số bốn và số năm. Để khi hai bánh răng
chưa đồng tốc thì cơ cấu này không cho chúng gài vào nhau bằng cách tạo ra một lực
cản chống lại lực của tay người lái tác dụng lên cần số. Dùng mô men ma sát giữa các
bề mặt côn tiếp xúc để khắc phục mô men quán tính, các bánh răng dần dần đồng đều
tốc độ và lực cản nêu trên dần dần bị triệt tiêu, lúc đó lực của tay người lái đủ thắng
định vị lò xo bi, gạt các bánh răng ăn khớp với nhau một cách êm dịu.

3

5 4

za

z4 ’

1

2

z1 ’

z3 ’
z1

zL’

Sinh viên : Hoàng Ngọc Bình
za ’

z4

L

9

z3
zL

Lớp: 98 C4A


Kết cấu và tính toán ô tô

Đồ án môn học

Hình 2.3. Sơ đồ động của hộp số thiết kế
2.4. XÁC ĐỊNH TỶ SỐ TRUYỀN CÁC TAY SỐ TRUNG GIAN
Chọn hệ thống tỷ số truyền của các số trung gian trong hộp số theo cấp số nhân.
- Cấp số nhân hiện nay được sử dụng rộng rải để chọn hệ thống tỷ số truyền của
ô tô cần thiết kế.
- Dựa trên cơ sở dụng công suất trung bình của động cơ khi làm việc ở chế độ
toàn tải không thay đổi trong quá trình gia tốc của ô tô.
- Ô tô thông thường hay sử dụng ở số cao của hộp số, nhưng ở khu vực này thì
số lượng tỷ số truyền ít so với số lượng tỷ số truyền có được ở số thấp, đây là một
nhược điểm khi chọn hệ thống tỷ số truyền cho các số trung gian theo cấp số nhân.
- Đối với hộp số có cấp thì lượng số truyền bị hạn chế, do đó sẽ hạn chế khả

năng tăng vận tốc trung bình của ô tô và hệ số sử dụng tải trọng của động cơ.
Theo quy luật cấp số nhân, tỷ số truyền của tay số trung gian bất kỳ có thể xác định
theo công thức [2]:
ihi = ih(1ni ) /( n1)
trong đó: i: số thứ tự tay số; n: số cấp hộp số với n = 5
Theo số liệu tính toán ở trên : ih1  8,5
tỷ số truyền tay số hai là: ih2
ih2 = ih(15 2) /(51) = 8,5 3 / 4 =4,97
tỷ số truyền tay số ba là: ih3
ih3 = i h(15 3) /( 51) = 8,52 / 4 = 2,92
tỷ số truyền tay số tư là: ih4
ih4 = ih(15 4) /(51) = 8,51 / 4 =1,7
tỷ số truyền tay số hai là: ihl
ihl = (1,2  1,3). ih1 = 1,2.8,5 = 10,2
3. XÁC ĐỊNH CÁC KÍCH THƯỚC CHÍNH CỦA HỘP SỐ
3.1. CÁC KÍCH THƯỚC CƠ BẢN CỦA TRỤC
3.1.1. Khoảng cách giữa các trục của hộp số:
Đối với ô tô loại trục cố định, khoảng cách giữa các trục của hộp số (A) có thể
xác định sơ bộ theo công thức kinh nghiệm sau [2]:
A = Ka. (Mra)1/3
(mm)
(4.1)

Sinh viên : Hoàng Ngọc Bình

10

Lớp: 98 C4A