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

MỤC LỤC
Trang tựa
Quyết định giao đề tài
Lý lịch cá nhân
Lời cam đoan
Lời c m t

TRANG
i
ii
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

v


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

v


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
Chư 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

v


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

-

HSHT: Hộp số hành tinh

-

CCHT: Cơ cấu hành tinh

-

4WD ( 4 Wheel Driver): 4 bánh chủ động

-

OD (OverDrive): Số truyền tăng tốc

-

P (Parking): Tay số vị trí đỗ xe

-

L (Low): Tay số thấp

-

R (Return): Tay số lùi

-

N (Neutral): Tay số trung gian

-

C (Clucth): Ly hợp

-

B (Brake): Phanh

-

i: Tỉ số truyền động

-

 : Vận tốc góc quay

-

n: Số vòng quay

-

 : Hiệu suất

-

M : Mômen lực

-

r: Bán kính tính toán

-

P: Công suất

vi


DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH

TRANG

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

5

Hình 2.2: Biến mô thuỷ lực

6

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

7

Hình 2.4: Sơ đố tính toán dòng chảy trong biến mô

8

Hình 2.5: Đường đi của dòng chảy trong biến mô

11

Hình 2.6: Cấu tạo bộ truyền bánh răng hành tinh

13

Hình 2.7: Các dãy CCHT cơ bản

15

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

16

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

17

Hình 2.10: Sơ đồ tính toán một dãy hành tinh

20

Hình 2.11: Mômen tổng quát khoá vào cơ cấu

22

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

23

Hình 2.13: Cấu tạo và sơ đồ CCHT kiểu Wilson

25

Hình 2.14: Sơ đồ gài số 1

27

Hình 2.15: Sơ đồ gài số lùi

27

Hình 2.16: Sơ đồ gài số 4

28

Hình 2.17: Sơ đồ gài số 2

28

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

29

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

29

Hình 2.20: CCHT kiểu Simpson

30

Hình 2.21: Sơ đồ cấu tạo của CCHT kiểu Ravigneaux

32

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

33

Hình 2.23: Sự trượt ly hợp giữa bề mặt ma sát

34

Hình 2.24: Khi xảy ra trượt ly hợp giữa bề mặt ma sát

35

Hình 2.25: Sơ đồ xác định Rtb

36

Hình 2.26: Khi mômen khoá hãm cứng bánh răng mặt trời

37

vii


Hình 2.27: Khi mômen ma sát Mms= 0

38

Hình 2.28: Khi phanh ly hợp bị trượt

39

Hình 2.29: Sơ đồ khi sinh ra mômen trượt ở phanh ly hợp

39

Hình 3.1: Bản vẽ lắp của hai bộ truyền hành tinh trước và sau

43

Hình 3.2: CCHT kiểu simpson trong hộp số A1140L

44

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

45

Hình 3.4: Nguyên lý hoạt động tay số 1

46

Hình 3.5: Sơ đồ hoạt động tốt ở tay số 1

47

Hình 3.6: Khi ly hợp C1 bị trượt

49

Hình 3.7: Nguyên lý hoạt động tay số lùi

51

Hình 3.8: Sơ đồ hoạt động tốt ở tay số lùi

51

Hình 3.9: Sơ đồ hoạt động khi khoá ly hợp B3 không hoạt động

53

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

Hình 4.1: Sự phụ thuộc tốc độ góc  G1 vào lực FC1

61

Hình 4.2: Sự phụ thuộc tỉ số truyền bộ truyền hành tinh vào lực FC1

62

Hình 4.3: Sự phụ thuộc tốc độ xe vào lực FC1

62

Hình 4.4: Sự phụ thuộc tốc độ góc N 2 vào lực FB3

65

Hình 4.5: Sự phụ thuộc tỉ số truyền bộ truyền hành tinh vào lực FB3

66

Hình 4.6: Sự phụ thuộc tốc độ xe vào lực FB3

66

Hình 4.7: Sơ đồ điều khiển lực ép ma sát C1 tay số 1

68

Hình 4.8: Sơ đồ khối 3D trong Simulink Simechanics tay số 1

68

Hình 4.9: Vận tốc góc đạt được khi giá trị ma sát bằng 0,09

69

Hình 4.10: Vận tốc góc đạt được khi giá trị ma sát bằng 0,01

69

Hình 4.11: Sơ đồ điều khiển lực ép ma sát B3 tay số lùi

70

Hình 4.12: Sơ đồ khối 3D trong Simulink Simechanics tay số lùi

71

Hình 4.13: Vận tốc góc trượt được khi giá trị ma sát bằng 0,03

72

Hình 4.14: Vận tốc góc trượt được khi giá trị ma sát bằng 0,01

72

vii


DANH SÁCH CÁC B NG
B NG

TRANG

B ng 1.1: Kế hoạch thực hiện

3

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

15

B ng 2.2: Kiểu CCHT và dãy số CCHT, 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 2.4: Nguyên lý làm việc CCHT tổ hợp Simpson

31

B ng 2.5: Tóm tắt nguyên lý làm việc của CCHT kiểu Ravigneaux

32

B ng 3.1: Nguyên lý làm việc CCHT tổ hợp Simpson hộp số A140L

44

B ng 3.2: Nguyên lý làm việc CCHT Willd trong hộp số A140L

45

B ng 3.3: Bảng hoạt động ở các tay số hộp số A140L

46

B ng 4.1: Thông số động cơ

57

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  G1 ,tỉ số truyền và tốc độ xe phụ thuộc lực FC1

60

B ng 4.5: Tốc độ góc N 2 , tỉ số truyền và tốc độ xe phụ thuộc lực FB3

64

viii


Chư ng 1

T NG QUAN
1.1. Lý do ch n đề tƠi
Hiện nay, các phương tiện giao thông vận tải là một phần không thể thiếu trong
cuộc sống con ngư i. Cũng như các sản phẩm của nền công nghiệp hiện nay, ô tô

được tích hợp các hệ thống tự động lên các dòng xe đã và đang sản suất với chiều
hướng ngày càng tăng. Với những dòng xe cũ sử dụng hộp số sàn khi chạy liên tục
trong th i gian dài luôn gây ra cảm giác mệt mỏi cho tài xế và gây nên mối nguy
hiểm cho hành khách và hàng hóa khi tài xế không còn phản xạ nhanh khi gặp sự
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
như mong muốn. Cho nên, đề tài này sẽ tìm hiểu và nghiên cứu về quan hệ động

1

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

2


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.
1.8. K ho ch th c hi n
B ng 1.1. Kế hoạch thực hiện.

Tháng

Th i gian

1 - tháng 1

1

03

07

C ng vi c
09

1. Đăng ký tên đề tài.

10

11

12

X

3

01

02

04

05

06

08

09

10

2. Xác định đề tài nghiên
cứu, xác định hướng X
nghiên cứu.
3. Tìm hiểu, thu thập tài
X X
liệu về vấn đề nghiên cứu.
4. Viết chương I, II.

X X X

5. Viết chương III, IV

X X X

6. Viết chương V

X X X X

7. Hoàn chỉnh thủ tục, bảo
vệ luận văn. Kết thúc
nghiên cứu.

X X

4


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
hệ thống truyền lực.
Hộp số không thực hiện truyền công suất đơn thuần bằng sự ăn khớp giữa các
bánh răng mà còn thực hiện truyền công suất qua các ly hợp ma sát, để thay đổi tỷ
số truyền và đảo chiều quay thì trong hộp số sử dụng các phanh và cơ cấu hành tinh
đặc biệt với sự điều khiển tự động bằng thủy lực hay điện tử. Dòng truyền công suất
được thể hiện qua hình 2.1.

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

5


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.

6


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

7


2.2.2. Nguyên lý truyền mô men

R2
R1

Wt

Vb2 

ut2 
Vt2

Wt2
ut1

Vt1

Wb2

ub2
Wb1
Vb1
R2 ub1

R1

Wt1


Wb

Vt1
Vb1
Hình 2.4: Sơ đố tính toán dòng chảy trong biến mô
Bánh bơm được gắn cố định trên trục chủ động, nối cứng với trục khuỷu
động cơ và quay với tốc độ góc wb. Bánh tuabin được lắp trên trục bằng then hoa
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 vb 2  ub 2  wb 2 . 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.

8


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:
Mb = mR2vb2 cos  R1vb1 cos 

(2.1)

đây:
m=

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

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R2vb2 cos  R1vt1 cos 

(2.2)

 - Góc giữa u t1 và wt1 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R1vb1 cos  R1vt1 cos 

(2.3)

So sánh các biểu thức (2.1), (2.2) và (2.3) ta thấy rõ rằng:
Mt = Mb + Mp

(2.4)

9


Và nếu không có bánh phản ứng thì: vt1 = vb1 và   
Nên
Mt = Mb
Tức là biến mô men tr thành ly hợp thủy động nên chỉ có tác dụng truyền mà
không biến đổi mô men.
Từ những suy luận trên ta thấy nh bánh phản ứng bị khóa theo chiều quay
ngược chiều quay trục khuỷu làm chuyển hướng dòng chất lỏng chảy ra từ bánh
tuabin về cùng chiều quay của bánh bơm, biến tác động cản tr thành tác động trợ
giúp, vì thế để quay bánh bơm chỉ đòi hỏi trục khuỷu động cơ cung cấp một mô
men Mb < Mt.
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.

10


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.

11


2.3. Các th ng s dùng đánh giá m t bi n m thủy l c

 Hệ số mô men
Phản ánh quan hệ giữa mô men và các thông số làm việc của biến mô men:
b 

Mb
nb2 D 5

(2.5)

t 

Mt
nt2 D 5

(2.6)

đây
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.
M
 n 
K  t  t  t 
M b t  nb 

2

(2.7)

 Tỷ số truyền động học
Là tỷ số giữa số vòng quay bánh tuabin với số vòng quay bánh bơm.
i

nt
nb

(2.8)

 Hiệu suất
Do tổn thất một phần công suất cho ma sát và va đập khi chất lỏng tuần hoàn
trong biến mô men nên :
Nt = N b - N R =  Nb
Trong đó: NR - Công suất tổn hao.

12


Nt - Công suất trên trục tuabin.
Nb - Công suất trên trục bánh bơm.
 - Hiệu suất biến mô.

Do đó:
Đặt:



S

n
Nt
M
 t t  K t  K .i
nb
Nb M b .nb

nb  nt
là độ trượt của bánh tuabin so bánh bơm.
nb



 = K 1


nb  nt
nb


  K 1 S


(2.9)

Khi ô tô, máy kéo bắt đầu kh i động nt = 0 thì S và Mt cực đại, còn  = 0,

trong quá trình tăng tốc nt tăng thì S và Mt lại giảm, còn  tăng lên.

số vòng quay

bánh tuabin nt = ntmax độ trượt bằng khoảng 23% nên  = 98% (đối với ly hợp thủy
động).
2.4. B truyền bánh răng hƠnh tinh
2.4.1. Các khái ni m c b n
Sơ đồ không gian của cơ cấu hành tinh đơn giản một dãy hành tinh được trình
bày như trên hình 2.6.

Hình 2.6: Cấu tạo bộ truyền bánh răng hành tinh
Một cơ cấu truyền động bằng bánh răng được gọi là cơ cấu hành tinh nếu có
tối thiểu một trục hình học của bánh răng nào đó là không cố định.

13


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
2k-h.

Cơ cấu hành tinh mà trong đó tất cả ba khâu chính đều quay được gọi là cơ
cấu vi sai.
Bộ truyền hành tinh có thể bao gồm một hay một số dãy hành tinh kết nối với
nhau. Hay nói một cách khác: cơ s của bộ truyền hành tinh là các dãy hành tinh
bao gồm các bánh răng ăn khớp ngoài hay hỗn hợp. Phổ biến nhất là các dãy hành
tinh bao gồm các bánh răng ăn khớp hỗn hợp dạng 2k-h, b i vì chúng cho phép tạo
được tỷ số truyền lớn với kích thước khá nhỏ gọn.
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

14

bảng 2.1.


B ng .1: Kiểu CCHT và số lượng số truyền, số lượng phần tử ma sát
S lư ng tỷ s truyền m
3

Kiểu HSHT

4

5

6

7

8

9

10

11

S lư ng phần tử ma sát cần thi t
CCHT hai bậc tự do

3

4

5

6

7

8

9

10

11

CCHT ba bậc tự do

3

4

4

4

5

5

5

5

6

CCHT bốn bậc tự do

-

4

5

5

5

5

5

6

6

Số lượng bậc tự do của HSHT m phụ thuộc vào số lượng số truyền và số
lượng dãy CCHT cơ bản. Khi m lớn thì số lượng mối liên kết lớn nên kết cấu sẽ
phức tạp. Mối liên quan ghi trong bảng 2.2.
B ng .2: Kiểu CCHT và dãy số CCHT, số lượng phần tử ma sát
Lo i HSHT

Dãy CCHT hai b c t do

Dãy CCHT ba b c t do

Số phần tử ma sát

6

4

Số dãy CCHT

5

3

 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).

15


- 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.

16


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:
G
i MN
 (M  G ) /(N  G )  (nM  nG ) /( nN  nG )

Dấu trừ

(2.10)

đây thể hiện chiều quay của các bánh răng trung tâm (mặt tr i và

bao) là ngược nhau; Chỉ số trên trong các ký hiệu là chỉ số của khâu cố định;  và n
- Tốc độ góc và số vòng quay của các khâu tương ứng.
G
Do cần dẫn được xem là đứng yên, nên i MN
hoàn toàn có thể được tính theo

các công thức đã biết (Willis) đối với bộ truyền có các trục cố định:

17


G

i MN

rN
z
 N  p
rM
zM

(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.
G
Thay i MN
 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 nM  pnN  (1 p)nG

(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 nM  knN  (1 k )nG

(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 (vN  0) .
Xác định tốc độ vM tại điểm ăn khớp của bánh răng M và bánh răng hành tinh
qua số vòng quay nM từ công thức:
vM 

 .nM
30

rM (m / s)

(2.14)

đây: nM - 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 vM và xác định điểm C. Đoạn Om, mc xác định theo tỷ lệ xích đã
chọn. Khi vN  0 ta có điểm n nằm ngay trên trục đứng Om. Nối nc. Tại d ta có thể

18