Thiết kế hộp số sàn cho xe ô tô - Vios 2016)

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU..............................................................................................................2
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN HỘP SỐ.........................................................................5
1.1. Công dụng, yêu cầu, phân loại.......................................................................5
1.1.1.

Công dụng...............................................................................................5

1.1.2.

Yêu cầu...................................................................................................5

1.1.3.

Phân loại.................................................................................................6

1.2. Hộp số cơ khí thông thường...........................................................................7
1.2.1.

Cấu trúc truyền mô men..........................................................................7

1.2.2.

Bộ phận điều khiển chuyển số.................................................................9

CHƯƠNG II. LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ VÀ THIẾT KẾ TÍNH
TOÁN HỘP SỐ...........................................................................................................16
2.1. Lựa chọn phương án thiết kế.......................................................................16
2.2. Thiết kế tính toán hộp số..............................................................................17
2.1.1.

Tính toán tỷ số truyền............................................................................17

2.1.2.

Xác định tỷ số truyền tay số 1................................................................18

2.1.3.

Tính toán các thông số cơ bản của bánh răng......................................19

2.2. Tính bền bánh hộp số....................................................................................24
2.2.1.

Chế độ tải trọng....................................................................................24

2.2.2.

Tính bền bánh răng...............................................................................25

2.3. Tính toán trục hộp số....................................................................................27
2.3.1.

Chọn vật liệu trục..................................................................................28

2.3.2.

Tính sơ bộ kích thước trục hộp số.........................................................28

2.3.3.

Tính bền trục.........................................................................................28

Đồ án môn học: Thiết kế hộp số cơ khí cho xe con 5 chỗ

Trang 2


2.4. Tính toán ổ lăn...............................................................................................34
CHƯƠNG III. KIỂM TRA BẢO DƯỠNG SỬA CHỮA HỘP SỐ.........................37
3.1. Kiểm tra sửa chữa.........................................................................................37
3.1.1.

Kiểm tra vỏ hộp số................................................................................37

3.1.2.

Kiểm tra mặt răng các bánh răng.........................................................37

3.1.3.

Kiểm tra các vòng bi.............................................................................37

3.1.4.

Kiểm tra cơ cấu đồng tốc......................................................................37

3.1.5.

Kiểm tra cần số.....................................................................................37

3.1.6.

Kiểm tra càng gạt..................................................................................37

3.1.7.

Kiểm tra cơ cấu định vị và cơ cấu chống gài hai số..............................37

3.2. Chú ý khi tháo lắp.........................................................................................37
3.2.1.

Chú ý khi tháo.......................................................................................37

3.2.2.

Chú ý khi lắp.........................................................................................38

KẾT LUẬN.................................................................................................................39
TÀI LIỆU THAM KHẢO..........................................................................................40

Đồ án môn học: Thiết kế hộp số cơ khí cho xe con 5 chỗ

Trang 3


CHƯƠNG I. TỔNG QUAN HỘP SỐ

1.

Công dụng, yêu cầu, phân loại

1.1.1. Công dụng
-

Thay đổi tỷ số truyền của hệ thống truyền lực để tạo được lực kéo tại các bánh xe

chủ động phù hợp với điều kiện chuyển động,
- Thay đổi chiều chuyển động (tiến hoặc lùi),
- Ngắt động cơ lâu dài khỏi hệ thống truyền lực.
Trong hộp số cơ khí, việc biến đổi mô men và vận tốc góc được thực hiện nhờ các
bộ truyền bánh răng. Cùng giá trị mô men xoắn và vận tốc góc động cơ, mô men và
vận tốc góc của bánh xe chủ động có thể thay đổi được bằng cách thay đổi tỷ số truyền
của hộp số. Cụ thể hơn, nếu sử dụng tay sô thấp (tỷ số truyền lớn) của hộp số thì sẽ có
được mô men kéo tại bánh xe chủ động lớn, nhưng vận tốc bánh xe sẽ nhỏ và ngược
lại.
Trên một số ô tô, chức năng thay đổi mô men truyền có thể đảm nhận nhờ một số
cụm khác (hộp phân phối, cụm cầu xe) nhằm tăng khả năng biến đổi mô men đáp ứng
mở rộng điều kiện làm việc của ô tô.
1.1.2. Yêu cầu
Hộp số ô tô đáp ứng các yêu cầu cơ bản sau:
-

Có dải tỷ số truyền thích hợp lý, phân bố các khoảng thay đổi tỷ số truyền tối ưu,

phù hợp với tính năng động lực học yêu cầu và tính kinh tế vận tải.
- Phải có hiệu suất truyền lực cao.
- Khi làm việc không gây tiếng ồn, chuyển số nhẹ nhàng, không phát sinh các tải
trọng động khi làm việc,
- Có cơ cấu định vị chống nhảy số và cơ cấu chống gài đồng thời hai số.
- Có vị trí trung gian để có thể ngắt động cơ ra khỏi hệ thống truyền lực trong thời

gian dài.
- Có cơ cấu báo hiệu khi gài số lùi.
- Kết cấu nhỏ, gọn, dễ điều khiển, bảo dưỡng và sửa chữa.
- Có khả năng bố trí cụm trích công suất để dẫn động các thiết bị phụ khác.
1.1.3. Phân loại
Tùy theo những yếu tố căn cứ để phân loại, hộp số được phân loại như sau:
Đồ án môn học: Thiết kế hộp số cơ khí cho xe con 5 chỗ

Trang 4


a. Theo đặc điểm thay đổi tỷ số truyền: hộp số vô cấp và hộp số có cấp:
-

Hộp số vô cấp được dùng để tạo thành HTTL vô cấp, trong đó hộp số có tỷ số

truyền biến đổi liên tục, trong khoảng tỷ số truyền (R) định sẵn, từ thấp đến cao và
ngược lại. Trên ô tô bộ truyền vô cấp thường gặp: biến mô men thủy lực, bộ truyền đai
đặt biệt, .... Nếu mô men động cơ làm việc ở giá trị nhất định, sự biến đổi mô men sau
hộp số vô cấp là đường liên tục, do vậy các bộ truyền này còn được gọi là bộ truyền
liên tục trong khoảng tỷ số truyền R cho trước. Ví dụ: trên biến mô men thủy lực,
khoảng R có thể đạt tới 2,7, trên bộ truyền đai đặc biệt có thể R = 4,5.
- Hộp số có cấp, tạo thành HTTL có cấp, được dùng phổ biến trên ô tô. Tỷ số truyền
trong hộp số thay đổi với các giá trị cố định khác nhau, do vậy còn được gọi là bộ
truyền gián đoạn. Mức độ gián đoạn phụ thuộc vào số lượng tỷ số truyền bên trong hộp
số.
Ở đây bộ truyền vô cấp có dạng bao các điểm ngoài của hộp số có cấp, do vậy cho
phép thay đổi mô men và tốc độ đều đặn hơn, tận dụng tốt công suất của động
cơ.Trong HTTL có thể tập hợp bởi các bộ truyển vô cấp với hộp số có cấp.
b. Theo cấu trúc truyền lực giữa các bánh răng:

-

Hộp số thường: các bánh răng ăn khớp ngoài với các trục cố định
Hộp số hành tinh: kết hợp ăn khớp trong và ăn khớp ngoài có trục di động.

c. Theo phương pháp điều khiển chuyển số của hộp số
Điều khiển bằng tay, điều khiển tự động, và điều khiển bán tự động. Trong thời gian
gần đây đã xuất hiện các hộp số cho phép làm việc theo phương pháp điều khiển bằng
tay và điều khiển tự động tùy chọn bằng các nút chọn trên bảng điều khiển (hộp số có
hai li hợp trên một số ô tô con).
d. Theo số trục của hộp số (không kể trục số lùi)
Trên ô tô con thường sử dụng hộp số chính ba trục hoặc hai trục.
-

Hộp số ba trục có trục chủ động (trục sơ cấp) và trục bị động (trục thứ cấp) được

thiết kế đồng trục. Phần lớn các số truyền đều thông qua hai cặp bánh răng ăn khớp,
nếu nối trực tiếp trục chủ động và trục bị động có thể tạo ra số truyền thẳng. Cấu trúc
này thường gặp trên ô tô có cầu sau chủ động.

Đồ án môn học: Thiết kế hộp số cơ khí cho xe con 5 chỗ

Trang 5


-

Hộp số hai trục: tất cả các số truyền truyền qua một cặp bánh răng ăn khớp. Trong

một số trường hợp số truyền cao nhất có thể truyền qua nhiều cặp bánh răng. Cấu trúc

này thường gặp trên ô tô có động cơ đặt trước, cầu trước chủ động.
e. Theo số tỷ số truyền chung của hộp số chính
Theo số lượng số tiến là 3,4,5…
2. Hộp số cơ khí thông thường
Cấu tạo hộp số cơ khí thông thường có cấp bao gồm các bộ phận cơ bản:
-

Bộ phận nhận chức năng truyền và biến đổi mô men bào gồm: các cặp bánh răng

ăn khớp, các trục và ổ đỡ trục vỏ hộp số.
- Bộ phận điều khiển chuyển số theo sự điều khiển của người lái và khả năng giữ
nguyên trạng thái trong quá trình xe hoạt động, bao gồm: cần số, các đòn kéo, thanh
trượt, nạng gài, khớp gài, cơ cấu định vị, khóa hãm, cớ cấu bảo hiểm số lùi.
2.1.1. Cấu trúc truyền mô men
a. Hộp số 3 trục

I: trục chủ động
II: trục trung gian
G1, G2, G3: các khớp số gài
III: trục bị động
0.,1.,2.,3.,4.,.L.: Các vị trí gài
IV: Trục số lùi
Hình 1.1. Sơ đồ kết cấu và bố trí trục hộp số 3 trục
Ưu điểm:

Đồ án môn học: Thiết kế hộp số cơ khí cho xe con 5 chỗ

Trang 6

-

Ở số truyền thẳng, dòng lực truyền trực tiếp từ trục sơ cấp qua khớp gài tới trục thứ

cấp. Các bánh răng làm việc không tải, hiệu suất truyền lực của hộp số là cực đại, thời
gian làm việc chiếm 50% - 70% tổng thời gian chuyển động, do vậy hạn chế hao mòn
bánh răng.
- Bánh răng của hộp số được sử dụng với hai loại bánh răng nghiêng và bánh răng
thẳng. Các bánh răng có răng nghiêng giúp tăng khả năng chịu tải và giảm độ ồn, tuy
nhiên trong thiết kế cần chịn chiều nghiêng hợp lý để hạn chế tối đa lực dọc trục tác
dụng lên ổ đỡ trục.
- Với cấu trúc tỷ số truyền qua 2 cặp bánh răng ăn khớp nên chiều quay của trục chủ
động và bị động không thay đổi, cho phép thực hiện một số giả trị tỷ số truyền lớn.
Nhược điểm:
-

Ổ bi phía trước của trục thứ cấp được đặt vào lỗ đằng sau của trục sơ cấp. Do điều

kiện kết cấu của hộp số (kích thước trục sơ cấp), ổ bi này không thể làm to được, cho
nên khi làm việc có lực tác dụng thì ổ bi này sẽ ở tình trạng căng thẳng.
Hiệu suất truyền lực sẽ thấp do truyền qua nhiều cặp bánh răng ăn khớp.
b. Hộp số 2 trục

G1, G2, G3: các khớp số gài
I: trục chủ động
0.,1.,2.,3.,4.,.L.: Các vị trí gài
II: trục bị động
C1,C2: bánh răng chủ động và
bị động truyền lực chính
Hình 1.2. Sơ đồ kết cấu và mặt cắt hộp số 2 trục

Ưu điểm:

Đồ án môn học: Thiết kế hộp số cơ khí cho xe con 5 chỗ

Trang 7


-

Các số truyền đều truyền qua 1 cặp bánh răng ăn khớp, cho phép nâng cao hiểu

suất truyền lực, giảm nhỏ kích thước hộp số và phù hợp với ô tô con có động cơ và cầu
trước chủ động.
- Với việc bố trí hộp số và cầu chủ động trong một không gian bao kín, cho phép sử
dụng chung 1 loại dầu, nhưng có khối lượng dầu đủ lớn và tạo khoang chứa dầu hợp lý,
thuận lợi bôi trơn vung té.
- Ngày nay, hộp số hai trục được dùng rất phổ biến trên ôtô du lịch (giá trị tỷ số
truyền không cần lớn). Do đảm bảo tính gọn nhẹ của hệ thống truyền lực, không sử
dụng các đăng trong điều kiện không gian gầm xe chặt hẹp.
Nhược điểm:
-

Do chỉ truyền qua 1 cặp bánh răng ăn khớp nên giá trị tỷ số truyền không cao. Để

đảm bảo tỷ số truyền phù hợp điều kiện chuyển động thì kích thước hộp số sẽ lớn.
2.1.2. Bộ phận điều khiển chuyển số
Bộ phận điều khiển chuyển số trong hộp số có cấp yêu cầu:
- Điều khiển chuyển số nhanh chóng,
- Thiết lập một vị trí gài cà giữ ổn định các vị trí gài,
- Đảm bảo: gài hết chiều dài cần thiết trong khớp gài, có vị trí trung gian để động cơ

làm việc không tải lâu dài (ngắt dòng truyền mô men),
- Hạn chế (hoặc oại trừ) khả năng va đập, gây ồn trong chi tiết truyền mô men của
hộp số,
- Có khả năng toa cảm giác khi thực hiện gài số lùi.
Đáp ứng nhu cầu trên, kết cấu bộ phận chuyển số rất đa dạng, nhưng cso các phần cơ
bản sau: điều khiển chuyển số, định vị, khóa hãm, bảo hiểm gài số.
a. Cơ cấu điều khiển chuyển số trực tiếp trên nắp của hộp số
Phần lớn các chi tiết của cơ cấu chuyển số nằm trên nắp hộp số, cần số được bố trí
dưới sàn xe ngay cạnh vị trí ngồi người lái. Các chi tiết bao gồm: cần số, trục trượt
nạng gài, vành gài và cách bánh răng được gài số.

Đồ án môn học: Thiết kế hộp số cơ khí cho xe con 5 chỗ

Trang 8


1.
2.
3.

Cần số
Đầu trong cần số
Trục tượt gài số

4. Nạng gạt
5. Khớp gài số
6. Gối cầu cần
số

7. Cơ cấu định vị

8. Vành đồng tốc
9. Bánh răng được
gài

A- Hành trình chọn trục
B- Hành trình gài số

Hình 1.3. Các chi tiết, mặt trích ngang cơ cấu điều khiển chuyển số trên nắp hộp số
Mỗi trục trượt đảm nhận 2 số gài. Các trục được bố trí sao cho khi tất cả các vị trí
nạng gạt ở vị trí trung gian, các rãnh trên trục trượt thẳng hàng với nhau, đảm bảo đầu
trong cần số 2 có thể di chuyển giữa các rãnh (A- hành trình chọn trục trượt).
Các trục trượt 3, được di chuyển theo hướng dịch chuyển B (hành trình gài số). Trên
mỗi trục trượt có 3 rãnh định vị, tương ứng với 3 vị trí không gài số (vị trí trung gian),
các vị trí biên tương ứng với vị trí gài số. Ở nắp trượt có bố trí bi, lò xo 7 và kết hợp
với rãnh định vị của trục trượt hình thành cơ cấu định vị cho trục trượt.

1. Ba rãnh thẳng hàng
2. Rãnh đặt đầu cần số
3. Các nạng gài số

4. Lẫy số lùi
5. Rãnh định vị trục trượt

Hình 1.4. Bố trí các trục trượt trong hộp số
b. Cơ cấu chuyển số từ xa
Trong điều kiên truyền lực, khoảng cách tờ vị trí người lái tới nơi đặt hộp số xa cần
thiết bố trí điều khiển từ xa như cơ cấu điều khiển dùng trục nối dài.
Một số ô tô con sử dụng hai dây cáp truyền 2 chuyển vị điều khiển chuyển số từ chỗ
ngồi của người lái tới hộp số. Mỗi sợi cáp có chức năng truyền 1 chuyển vị cần số tới
hộp số: A- Chọn trục trượt, B- Gài số

Đồ án môn học: Thiết kế hộp số cơ khí cho xe con 5 chỗ

Trang 9


1.
2.
3.
4.

Cần số
Bệ điều khiển
Cáp nối dài
Hộp số

Hình 1.5. Cơ cấu điều khiển dùng cáp nối dài
Một số ô tô còn sử dụng các cơ cấu điều khiển
chuyển số bằng cơ khí – khí nén, thủy lực, hay tổ
hợp cơ khí – khí nén thủy lực điện từ, dựa trên cơ sở của các kết cấu cơ khí đã trình
bày ở trên.
c. Các bộ phận đảm bảo an toàn chuyển số
 Cơ cấu định vị, khóa hãm trục trượt
Cơ cấu định vị trục trượt dùng để gài số đúng vị trí và tránh nhảy số sau khi đã được
gài. Hiện nay trên ô tô thường dùng cơ cấu định vị loại bi lò xo. Khi gài số dưới tác
động lực từ người lái, trục trượt dịch chuyển dọc trục, viên bi bị đẩy lên và lò xo định
vị bị nén lại. Khi đã gài số nào đó, rãnh lõm trên trục trượt sẽ trung với vị trí đặt viên
bi. Nhờ có lực căng lò xo, viên bi giữ trục trượt ở nguyên vị trí này cho đến khi chuyển
số khác.

1.

2.
3.
4.
5.

Nắp che
Nắp hộp số
Trục trượt
Nạng gạt
Sợi thép khóa

6.
7.
8.
9.
10.

Ốc
Lò xo tỳ
Chốt tỳ
Chốt khóa
Khóa bi

11. Lò xo định vị
12. Bi tỳ
13. Chốt khóa trục
14. Trục số lùi

Hình 1.6. Cơ cấu định vị, khóa hãm, bảo hiểm số lùi
Bộ phận khóa hãm dùng để ngăn ngừa gài đồng

thời hai trục trượt một lúc. Như vậy loại trừ khả
năng ở một thời điểm cả hai số truyền được thực hiện, nhằm tránh gãy và vỡ bánh răng
và trục.

Đồ án môn học: Thiết kế hộp số cơ khí cho xe con 5 chỗ

Trang 10


Khi một trong các thanh trượt đã ở vị trí gài số thì
các thanh trượt còn lại bị khóa cứng. Bộ phận khóa
hãm được mô tả trên mặt cắt B-B của hình 1.6. Kích
thước của bi và rãnh vát được tính toán sao cho khi một
trục di chuyển khỏi vị trí trung gian, các trục còn lại bị
khóa cứng (xem hình 1.7 a, b)
 Bảo
hiểm

số

lùi

Hình 1.7. Cơ cấu khóa hãm
Cơ cấu bảo hiểm số lùi dùng để tránh gài số lùi một
cách ngẫu nhiên. Khi gài số lùi, người lái cần tác động 1 lực đủ lớn mới đưa được đầu
cần số vào vị trí dịch chuyển trục trượt sô lùi. Kết cấu được thể hiện trên mặt cắt A-A
của hình 1.6 bằng các chi tiết, lò xo tỳ, chốt tỳ, chốt khóa. Lực người lái cần thắng lực
cản lò xo 7 để đẩy trục trượt số lùi 14 vào vị trí gài số.
Ngoài các cơ cấu an toàn kể trên một số ô tô còn bố trí thêm các công tắc báo vị trí
gài số bằng điện và hiện thị đèn báo vị trí gài số trên bảng tablô theo dõi.

d. Khớp gài và bộ đồng tốc
Một số kết cấu gài số:


Gài trực tiếp bánh răng, gài qua ống dễ gài số được dùng cho số 1 và số lùi,
Gài qua các bộ gài đồng tốc được dùng cho các số truyền cao.
Gài trực tiếp và gài qua ống dễ gài số
Loại ống gài có ưu điểm là kết cấu đơn giản, kích thước gọn. Nhưng khi bố trí các

số truyền cao sẽ gây nên va đập đầu răng khi gài số. Do vậy ở số truyền cao thường sử
dụng các bộ gài đồng tốc thay cho ống dễ gài số.


Bộ đồng tốc
Sự giảm nhỏ hoặc triệt tiêu va đập ở các răng gài số được thực hiện chỉ khi hai phần

được gài với nhau có cùng tốc độ quay. Để đáp ứng nhiệm vụ này, trong hộp số của ô
tô dùng bộ đồng tốc ở tất cả các số truyền hoặc một phần các số truyền.
Bộ đồng tốc được phân theo các đặc điểm sau:
+ Theo mức độ san đều tốc độ:
-

Bộ đồng tốc hoàn toàn: chỉ cho phép gài số khi tốc độ góc của hai phần được gài

với nhau hoàn toàn giống nhau.

Đồ án môn học: Thiết kế hộp số cơ khí cho xe con 5 chỗ

Trang 11

-

Bộ đồng tốc không hoàn toàn: cho phép gài số, khi tốc độ góc của hai phần được

gài cới nhau vẫn chưa hoàn toàn bằng nhau, nhưng cần lực đủ lớn của người lái tác
dụng lên cần số. Dạng này sử dụng ở trên một số xe và ở các số truyền thấp
+ Theo đặc điểm kết cấu của phần tử khóa: đồng tốc có chốt hướng tâm, đồng tốc có
chốt hướng trục.
Sau đây giới thiệu về Bộ đồng tốc có khóa chuyển số:

Hình 1.8. Bộ đồng tốc có khóa chuyển số
o Mỗi số tiến trên trục sơ cấp được vào khớp với bánh răng tương ứng trên trục thứ
cấp ở mọi thời điểm.
Những bánh răng này luôn luôn quay ngay cả sau khi vào ly hợp vì chúng không cố
định trên trục và chỉ chạy lồng không.

Đồ án môn học: Thiết kế hộp số cơ khí cho xe con 5 chỗ

Trang 12


o Các moay ơ đồng tốc ăn khớp với các trục bằng các then bên trong moay ơ đồng
tốc. Hơn nữa, ống trượt ăn khớp với then ở vòng ngoài của moayơ đồng tốc và có thể
di chuyển dọc trục.
o Moayơ đồng tốc có ba rãnh theo chiều dọc trục, và các khoá chuyển số luồn vào
các rãnh này. Lò xo của khoá luôn luôn đẩy khoá chuyển số này vào ống trượt.
o Khi cần chuyển số ở vị trí số trung gian, phần nhô ra của mỗi khoá chuyển số luồn
khít vào trong rãnh then ở ống trượt.
o Người ta đặt vòng đồng tốc giữa moay ơ đồng tốc và mặt côn của các bánh răng số,

và được đẩy ép vào một trong các mặt côn này.
Trên toàn bộ khu vực côn bên trong vòng đồng tốc có các rãnh nhỏ để tăng ma sát.
Ngoài ra, vòng này còn có 3 rãnh để các khoá chuyển số luồn vào đó.
Hoạt động:
Vị trí số trung gian
Mỗi bánh răng số được vào khớp với bánh răng bị động tương ứng và chạy lồng
không trên trục.
Bắt đầu quá trình đồng tốc
Khi dịch chuyển cần chuyển số, cần chuyển số nằm trong rãnh trong ống trượt, dịch
chuyển theo chiều mũi tên.
Vì phần nhô ra ở tâm của khoá chuyển số được gài vào rãnh của ống trượt, khoá
chuyển số cũng dịch chuyển theo chiều mũi tên cùng một lúc, và đẩy vòng đồng tốc
vào mặt côn của bánh răng số, bắt đầu
quá trình đồng tốc.
Giữa quá trình đồng tốc
Khi dịch chuyển tiếp cần chuyển số,
lực đặt lên ống trượt sẽ thắng lực lò xo
của khoá chuyển số và ống trượt trùm lên
phần nhô ra của khoá này.

Hình 1.9. Giữa quá trình đồng tốc

Kết thúc quá trình đồng tốc
Lực đang tác dụng lên vòng đồng tốc trở nên mạnh hơn và đẩy phần côn của bánh
răng số.

Đồ án môn học: Thiết kế hộp số cơ khí cho xe con 5 chỗ

Trang 13

Điều này làm đồng bộ tốc độ của bánh răng số với tốc độ của ống trượt gài số.
Khi tốc độ của ống trượt gài số và bánh răng số trở nên bằng nhau, vòng đồng tốc bắt
đầu quay nhẹ theo chiều quay này.
Do đó, các then của ống trượt gài số ăn khớp với các rãnh then của vòng đồng tốc.
Kết thúc việc chuyển số
Sau khi then của ống trượt gài số
ăn khớp với rãnh then của vòng đồng
tốc, ống trượt tiếp tục dịch chuyển và
ăn khớp với rãnh then của bánh răng
số. Khi đó, việc chuyển số sẽ kết
thúc.
Hình 1.10. Kết thúc việc chuyển số

Đồ án môn học: Thiết kế hộp số cơ khí cho xe con 5 chỗ

Trang 14


CHƯƠNG II. LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
VÀ THIẾT KẾ TÍNH TOÁN HỘP SỐ
2.1. Lựa chọn phương án thiết kế
Dựa vào phân loại hộp số cơ khí thông thường theo số trục ta có hai phương án lựa
chọn:
-

Hộp số 3 trục
Hộp số 2 trục
Đề tài môn học em lựa chọn “Thiết kế hộp số cơ khí xe con 5 chỗ”, thông số tham

khảo xe con Vios 2016 lắp ráp tại Việt Nam. Xe con Vios 2016 có động cơ đặt trước,
cầu trước chủ động. Dựa trên việc phân tích ưu nhược điểm của hộp số 2 trục và 3
trục, em lựa chọn hộp số 2 trục.
Hộp số 2 trục có thể bố trí với 4, 5 hay nhiều cấp số truyền. Số lượng cấp số truyền
càng lớn, càng sử dụng tốt hơn công suất động cơ, tính kinh tế nhiên liệu cao hơn. Tuy
nhiên hộp số điều khiển bằng tay, kết cấu hộp số, bộ phận điều khiển chuyển số phức
tạp. Vậy nên lựa chọn hộp số 5 cấp số truyền cho ô tô con.

Xét trên yêu cầu thiết kế của bài toán và theo xe tham khảo ta trọn hộp số 2
trục 5 số tiến:
Bảng 2.1. Các trạng thái làm việc của hộp số
Số

Vị trí gài

1

G1, G2 �0 ; G3=1

2

G1, G2 �0 ; G3=2

3

G1, G3 �0 ; G2=3

4

G1, G3 �0 ; G2=4

5

G2, G3 �0 ; G1=5

Lùi

G1,G3, G2 �0 ;
L �L1 �L2

Dòng truyền

�z’1 , II, C1 �C1
I, z2 �z’2 , II, C1 �C2
I, z3 �z’3 , II, C1 �C2
I, z4 �z’4 , II, C1 �C2
I, z5 �z’5 , II, C1 �C2

I, z1

I,zL �zL1 �zL2 , II

Hình 2.1 Sơ đồ hộp số 2 trục 5 cấp

Đồ án môn học: Thiết kế hộp số cơ khí cho xe con 5 chỗ

Trang 15


2.2. Thiết kế tính toán hộp số

Dựa vào một số thông số theo xe tham khảo Vios 1.5E (MT) lắp ráp tại Việt Nam,
em xin đưa ra bảng thông số tính toán của mình:
Bảng 2.2. Bảng thông số tính toán
Thông số tham khảo

Đơn vị

Kích thước

Kích thước D × R × C

mm × mm × mm

4410 × 1700 × 1475

Chiều dài cơ sở, L

mm

2500

Trọng lượng không tải

kg

1068

Trọng lượng toàn tải, G

kg

1500

Mã động cơ

1NZ-FE

Loại động cơ

4 xy lanh thẳng hàng,16 van DOHC, Dual VVT-i
kW (Mã lực) /
79 (107)/6000
(vòng/phút)
Nm / (vòng/phút)
140/4200

Công suất tối đa, Nemax/nN
Mô men xoắn tối đa Memax/nM
Vận tốc tối đa, vmax

2.1.1.

km/h

180

Hệ thống truyền động

FWD, Dẫn động cầu trước

Tỷ số truyền cuối, i0

4,06

Kích thước lốp

185/60 R15

Tính toán tỷ số truyền

i
a. Xác định tỷ số truyền của truyền lực chính ( 0 )
Tỷ số truyền của truyền lực chính

i0

được xác định từ điều kiện đảm bảo cho ô tô

đạt vận tốc lớn nhất, được xác định theo công thức:
i0  0,377.

rb .nv
i fc .ihn .vmax

(2.1)

Trong đó:

nv : Số vòng quay của trục khuỷu động cơ, ứng với vận tốc lớn nhất của ô tô
n  ne max  .nN (vòng/phút).

tính theo vòng/phút, v

Đồ án môn học: Thiết kế hộp số cơ khí cho xe con 5 chỗ

Trang 16


rb

: Bán kính làm việc trung bình của bánh xe, được xác định theo kích thước

lốp, tính theo (m),

i fc

: Tỷ số truyền của hộp số phụ hoặc hộp phân phối ở số truyền cao,

ihn

: Tỷ số truyền của hộp số chính ở số truyền cao nhất, i5

i fc

=1

vmax : Vận tốc lớn nhất của ô tô tính theo km/h, vmax = 180 (km/h)
Theo xe tham khảo: i0 = 4,06
2.1.2.

Xác định tỷ số truyền tay số 1

Ta xác định tỷ số truyền tay số 1 theo điều kiện cản và điều kiện bám:
- Theo điều kiện cản:

 .G.rb
ih1 � max
M e max .i0 .i fc .t

(2.2)
(2.3)

- Theo điều kiện bám:

G . .rb
ih1 �
M e max .i0 .i fc .t

Trong đó:

 max : Hệ số cản lớn nhất của mặt đường,  max  f  tg max , f: hệ số cản lăn của
đường, f = 0,02; : góc dốc cực đại của đường, = 150 do đó
= 0,02 + tg150 = 0,28
G: Trọng lượng của ô tô (N), G= 15000(N),

i0

: Tỷ số truyền của truyền lực chính.;

i0

= 4,06,

t : Hiệu suất của hệ thống truyền lực, t = 0,85,
G

: Trọng lượng của ô tô phân bố lên cầu chủ động, đây là xe con động cơ đặt

trước, cầu trước chủ động, ta giải thiết trọng lượng phân lên cầu trước bằng 60%
trọng lượng cả xe. Coi cos15o ≈ 1, do đó trọng lượng bám của xe:

G

= 0,6.G = 0,6. 15000 = 9000 (N),

 : Hệ số bám của bánh xe chủ động với mặt đường. Chọn  = 0,8,
: Bán kính làm việc trung bình của bánh xe.

rb =

15.25,4+185.60%
.0,93
2.1000
=0,29 m.

Đồ án môn học: Thiết kế hộp số cơ khí cho xe con 5 chỗ

Trang 17


M e max : Momen xoắn cực đại của động cơ (N.m), M e max = 140 (N.m)

2,58 �ih1 �4,31

Thay vào ta có tỷ số truyền tay số 1:
Ta chọn

ih1

= 3.54 (theo xe tham khảo)

b. Tính toán tỷ số truyền của các tay số trung gian

Lựa chọn hộp số có 5 tay số tiến (số lượng số truyền n = 5) và 1 số lùi. Từ công
thức (2.1) với số vòng quay lớn nhất của động cơ

n v = n emax = λ.n N = n = 6000
N

(vòng/phút), ta tính được tỷ số truyền của hộp số chính ở số truyền cao nhất:
i h5 =0,377.

rb .n v
0,29 . 6000
 0,377.
ifc .i 0 .v max
1 . 4,06 . 180

= 0.89

Chọn quy luật phân bố tỷ số truyền cấp số nhân công bội a:
a  51

ih max

ih 5

4

ih1
ih5

= 1,41

Tỷ số truyền của các tay số trung gian được xác định theo các biểu thức:

i h4 = a.ih5

=1,41 . 0.89 = 1,26;

i h3 = a.ih4

=1,41 . 1,26 = 1,77;

i h2 = a.ih3

=1,41 . 1,77 = 2.51;

Ta có các tỷ số truyền của các tay số trung gian là: i h2= 2,51; ih3= 1,77; ih4= 1,26;
ih5= 0,89.
Trị số của tỷ số truyền lùi được chọn được chọn theo xe tham khảo: ihL = 3,25 (theo
xe tham khảo)

2.1.3.

Tính toán các thông số cơ bản của bánh răng

a. Xác định khoảng cách giữa các trục
Tải trọng tính từ động cơ đến hộp số là: Memax = 140 Nm.
Khoảng cách trục sơ bộ được tính theo kinh nghiệm sau:
a

w

=

ka 3 M max

(mm)

Đồ án môn học: Thiết kế hộp số cơ khí cho xe con 5 chỗ

(2.4)

Trang 18


Trong đó ka là hệ số kinh nghiệm đối với xe con, ka = 14,5÷16, ta chọn ka = 14.5.
Ta có aw = 75.3 mm.
Theo giá trị tiêu chuẩn chọn aw = 80 mm.
b. Chọn thông số mô đun và góc nghiêng răng β
Modun pháp của bánh răng của các bánh răng trong hộp số thường chọn theo kinh
nghiệm trong khoảng:

Đối với xe con loại nhỏ: 2,25 ÷ 2,75 ; ta chọn =2,5
Các bánh răng nghiêng trong hộp số ô tô được chế tạo với các răng nghiêng để giảm
độ ồn làm việc cũng như tăng độ bền của răng. Góc nghiêng của răng được chọn trong
khoảng:
Đối với hộp số hai trục ô tô con β = 20 ÷ 250
ta chọn β=200. Riêng các bánh răng số lùi ta chế tạo là răng thẳng vì khi chuyển số ở
các tay số này chúng ta dùng nạng gạt.
c. Xác định số răng

Đối với hộp số 2 trục, tỷ số truyền của hộp số ở tay số i bất kỳ i hi được tạo ra bởi
một cặp bánh răng duy nhất, nên sau khi đã chọn được a w , m, β có thể tính số răng của
bánh răng chủ động zi trong các cặp bánh răng như sau:

zi 

2.aw .cos
m n .(1  ihi )

(2.5)

Số răng của các bánh răng bị động zi’:
(2.6)

zi '  zi .ihi
Bảng 2.3. Số răng của các bánh răng chủ động, bị động
Tay số

1

2

3

4

5

Tỷ số truyền

3.54

2.51

1.77

1.26

0.89

z

13.2

17.2

21.7

26.6

31.8

Đồ án môn học: Thiết kế hộp số cơ khí cho xe con 5 chỗ

Trang 19


z'

46.9

43.0

38.5

33.5

28.3

Vậy số răng của các bánh răng trên trục chủ động:
z1 = 13; z2 = 17; z3 = 22; z4 = 27; z5 = 32;
Số răng của các bánh răng trên trục bị động:
z1’ = 47; z2’ = 43; z3’ = 39; z4’ = 34; z5’ = 28;
-

Xác định số răng của bánh răng tay số lùi
Từ sơ đồ thiết kế qua 2 cặp bánh răng L-L1 và L1-L’ tỷ số truyền của bánh răng số

lùi được xác định :
ihL 

Z L1 Z 'L Z 'L
.

Z L Z L1 Z L

Với ihL = 3,25, ta chọn ZL =13; Z’L = 42, ZL1 = 20.
d. Xác định lại chính xác tỷ số truyền và khoảng cách trục hộp số

Tỷ số truyền của hộp số khi đã chọn số răng của các bánh răng:
Bảng 2.4. Tỷ số truyền chính xác ở các tay số
Tay số

1

2

3

4

5

L

z

13

17

22

27

32

13

z'

47

43

38

33

28

42

ik

3.62

2.53

1.73

1.22

0.88

3.23

Tính chính xác khoảng cách giữa các trục theo số răng của các cặp bánh răng đã

m.( zk  zk' )
a 
2.cos
chọn được. Đối với cặp bánh răng nghiêng tính theo công thức:
(mm)
Bảng 2.5.Khoảng cách trục chính xác ở các tay số
Tay số

1

2

3

4

5

z

13

18

24

30

36

z'

47

42

36

30

24

ak

79.81

79.81

79.81

79.81

79.81

Đồ án môn học: Thiết kế hộp số cơ khí cho xe con 5 chỗ

Trang 20


Chọn khoảng cách trục chính xác là : a  = 80 mm.
e. Xác định bề rộng bánh răng b

Độ cứng vững của hộp số, tuổi thọ các bánh răng và các ổ bi và hệ số sử dụng vật
liệu hợp lý được tạo nên nhờ các tỷ lệ thích hợp giữa các phần tử chính của hộp số.Vì
vậy bề rộng răng được lựa chọn theo khoảng cách trục với tỉ lệ: b w

� 0,19 �0, 23

.aw.

Lựa chọn bw = 0,2.aw = 16 mm.
g. Dịch chỉnh
Sau khi tính toán lại khoảng cách trục có sự sai lệch để giải quyết sự sai lệch đó
chúng ta có hai giải pháp: thay đổi góc nghiêng của các bánh răng hoặc dịch chỉnh các
bánh răng.
-

Thay đổi góc nghiêng của các bánh răng: Thông thường biện pháp này người ta ít

dùng vì nó sẻ gây khó khăn cho công nghệ chế tạo máy và sửa chữa các bánh răng
trong hộp số.
-

Dịch chỉnh các bánh răng ăn khớp với nhau: Biện pháp này được dùng nhiều vì

chúng ta có thể dể dàng dịch chỉnh nhờ thay dổi khoảng cách giữa giao thanh răng và
bánh răng cần chế tạo trong quá trình chế tạo.
Trong trường hợp này, bánh răng có dịch chỉnh x Σ ≠ 0, thì nên thay đổi xΣ để đảm
bảo được aw đã cho:
z i .m n .(1+i hi )
2.cosβi
Từ công thức (2.7) ta tính được hệ số dịch chỉnh xΣ:
a wΣ= xn .m 

xΣ =

aw zi .(1+i hi )

mn 2.cosβi

(2.7)

(2.8)

Các công thức tính hệ số dịch chỉnh sau đây được tham khảo theo sách Tính toán
thiết kế hệ dẫn động cơ khí tập 1, tác giả Trịnh Chất, Lê Văn Uyển phần 6: truyền động
bánh răng, trang 100, 101.
Hệ số kx được tính theo công thức:

Đồ án môn học: Thiết kế hộp số cơ khí cho xe con 5 chỗ

Trang 21

k xΣ =

1000.x Σ
z i +z'i

(2.9)

Dựa vào kxΣ để tra kx theo bảng 6.10a, sách Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí
tập 1, trang 101, rồi từ kx tính ra hệ số giảm đỉnh răng Δx:
x =

k x .(z i +z'i )
1000

(2.10)

Tổng hệ số dịch chỉnh xt:
(2.11)

x tΣ= x x+Δ
Các hệ số dịch chỉnh bánh răng 1 và 2:
� (z'i -ziΣ).x �
x1 = 0,5. �
xt �
z i +z'i �
�

(2.12)

x 2 = x t - x1

(2.13)

Xác định góc ăn khớp trong bánh răng nghiêng αtw , với góc profin gốc α = 20o, góc
profin răng được tính:
αt = arctg(tgα/cosβ) = 21,17o
Theo công thức:
cosαtw =

(zi +z'i ).m n .cosαt
2.a w

(2.13)

Bảng 2.6. Bảng hệ số dịch chỉnh từng cặp bánh răng
Cặp BR

1 - 1’

2 – 2’

3 – 3’

4 – 4’

5 – 5’

z

13

17

22

27

32

z'

47

43

38

33

28

xΣ

0.077

0.077

0.077

0.077

0.077

kxΣ

1.279

1.279

1.279

1.279

1.279

kx

0.015

0.015

0.015

0.015

0.015

Δx

0.001

0.001

0.001

0.001

0.001

xt

0.078

0.078

0.078

0.078

0.078

x1

0.017

0.022

0.029

0.035

0.041

x2

0.061

0.055

0.049

0.043

0.036

Đồ án môn học: Thiết kế hộp số cơ khí cho xe con 5 chỗ

Trang 22


αtw

29.1

29.1

29.1

29.1

29.1

h. Các kích thước cơ bản của cặp bánh răng số tiến
Thông số

Kí hiệu

Công thức tính

-

Đường kính vòng chia

d

di=mn.zi/cosβ

-

Đường kính cơ sở

db

-

Đường kính đỉnh răng

da

db=d.cosα
dd=d+2.(1+ xi - Δx).mn

-

Đường kính chân răng

df

df= d - (2,5 - 2.x1).mn

Đồ án môn học: Thiết kế hộp số cơ khí cho xe con 5 chỗ

Trang 23


Bảng 2.7. Các kích thước cơ bản của bánh răng số tiến
1 - 1’

2 – 2’

3 – 3’

4 – 4’

5 – 5’

Thông
số

1

1'

2

2'

3

3'

4

4'

5

5'

z

13

47

17

43

22

38

27

33

32

28

d(mm)

34.6

125.0

45.2

114.4

58.5

101.1

71.8

87.8

85.1

74.5

db(mm)

32.5

117.5

42.5

107.5

55.0

95.0

67.5

82.5

80.0

70.0

da(mm)

39.7

130.3

50.3

119.7

63.7

106.3

77.0

93.0

90.3

79.7

df(mm)

28.4

119.1

39.1

108.4

52.4

95.1

65.8

81.8

79.1

68.4

i.

Các kích thước cơ bản của cặp bánh răng số lùi
Các bánh răng số lùi là các bánh răng trụ răng thẳng, chọn modul m = 2.5, góc

profin gốc α = 20o.
Thông số

Kí hiệu

Công thức tính

-

Đường kính vòng chia

d

di = m.zi

-

Đường kính cơ sở

db

-

Đường kính đỉnh răng

da

db = d.cosα
dd = d + 2.m

-

Đường kính chân răng

df

df = d - 2,5.m

Bảng 2.7. Các kích thước cơ bản của bánh răng số lùi
Thông số

L

L1

L'

m

2.5

2.5

2.5

z

12

20

42

i

1.54

2.11

bw(mm)

16

16

16

α

20

20

20

d(mm)

32.5

50

105.6

db(mm)

30.5

47.0

99.3

da(mm)

37.5

55

110.63

df(mm)

26.3

43.8

99.4

2.2.Tính bền bánh hộp số
2.2.1. Chế độ tải trọng

Đồ án môn học: Thiết kế hộp số cơ khí cho xe con 5 chỗ

Trang 24


a. Mô men truyền đến các trục
Trục sơ cấp: Ms = Me = 140 (Nm)
Trục thứ cấp:
- Tay số 1: Mtc1 = Me.ih1 = 506,2 (Nm)
- Tay số 2: Mtc1 = Me.ih1 = 354,1 (Nm)
- Tay số 2: Mtc1 = Me.ih1 = 241,8 (Nm)
- Tay số 2: Mtc1 = Me.ih1 = 171,1 (Nm)
- Tay số 2: Mtc1 = Me.ih1 = 122,5 (Nm)
Tay số lùi:

ML1 = Me.iL1 = 215,4 (Nm)
ML’ = ML1.iL’= 455 (Nm).

b. Lực tác dụng lên các bánh răng
Công thức tính các lực tác dụng lên bánh răng. Đối với bánh răng nghiêng:
-

Lực vòng: Ft = 2.Mt /d ,
Lực hướng kính: Fr = Ft .tgαtw ; Fr = Ft .tgα đối với bánh răng thẳng,
Lực dọc trục: Fa = Ft . tgβ ; Fa = 0 đối với bánh răng thẳng.
Bảng 2.8. Lực tác dụng lên các bánh răng
Cặp BR

1-1’

2-2’

3-3’

4-4’

5-5’

L-L1

L1-L'

Ft

8096

6191

4784

3898

3289

8615

8615

Fr

4495

3437

2656

2164

1826

3134

3134

Fa

2945

2252

1740

1418

1196

0

0

2.2.2. Tính bền bánh răng

a. Tính bền theo ứng suất uốn
Ứng suất uốn tại tiết diện nguy hiểm được tính theo công thức và tham khảo từ
giáo trình Đồ án môn học Thiết kế hộp số chính Ô tô và máy kéo (phần I), Nguyễn Văn
Tài:
σ u =k d k ms k c k tp k gc

Ft
bπm ntbβyk

(2.14)
2

(MN/m )

Trong đó:
Ft : lực tiếp tuyến của bánh răng (MN).
b : bề rộng răng (m).
mntb : môđun pháp tuyến ở tiết diện trung bình(m).

Đồ án môn học: Thiết kế hộp số cơ khí cho xe con 5 chỗ

Trang 25


y : Hệ số dạng chân răng, phụ thuộc chủ yếu vào hệ số dịch chỉnh và được tra theo
đồ thị (I-5). Đối với bánh răng nghiêng hệ số y được xác định theo số răng tương
đương: ztđ = z/cos3β
kβ : Hệ số trùng khớp, được tra theo đồ thị I-6, với εβ = bwsinβ/(mn.π)= 0.7, kβ=1,8.
kd :Hệ số tải động, đối với xe con kd= 1,5÷2,0, ta chọn kd= 1,5.
kms:Hệ số ảnh hưởng của ma sát:
Đối với bánh răng chủ động: kms=1,1.
Đối với bánh răng bị động: kms=0,9.
kc : Hệ số tính đến độ cứng vững của trục và phương pháp lắp
Đối với bánh răng di trượt trên trục thứ cấp : kc=1,1.
Đối với bánh răng luôn ăn khớp: kc=1,0.
ktp : Hệ số tải trọng động phụ do sai số công nghệ, chọn ktp=1,2.
kgc : Hệ số tập trung ứng suất tại góc lượn chân răng, k gc=1,1 đối với bánh răng
không mài góc lượn.
Bảng 2.9. Giá trị ứng suất uốn tại mỗi bánh răng
Cặp BR

1-1'

2-2'

3-3'

4-4'

5-5'

L

L1

L'

z
ztd

13
15.7

17
20.5

22
26.5

27
32.5

32
38.6

12

18

39

y

0.11

0.12

0.125

0.13

0.135

0.095

0.115

0.135

Ft (MN)
σu
(MN/m2)

z'
z'td

0.008

0.006

0.005

0.004

0.003

0.009

0.01

0.01

709

497

369

289

235

830

722

553

47
56.6

43
51.8

38
45.8

33
39.8

28
33.7

y

0.14

0.14

0.135

0.135

0.13

Ft (MN)
σu
(MN/m2)

0.008

0.006

0.005

0.004

0.003

557

426

341

278

244

Để đảm bảo điều kiện bền, ứng suất tính được phải thoả mãn điều kiện sau:

u � g
1,3

σg : ứng suất gây nên gãy (theo sức bền vật liệu).
Đồ án môn học: Thiết kế hộp số cơ khí cho xe con 5 chỗ

Trang 26