Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số kết cấu tới hoạt động của bộ đồng tốc quán tính trên hộp số ô tô

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------Họ và tên tác giả luận văn
Tống Ngọc Linh

TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN
Nghiên cứu ảnh hƣởng của các thông số kết cấu
tới hoạt động của bộ đồng tốc quán tính trên hộp số ơ tơ
Chun ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Kỹ thuật cơ khí động lực

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. Nguyễn Trọng Hoan

Hà Nội – Năm 2018


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu kết quả nêu
trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong các cơng trình nào
khác!
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2018

Học viên

Tống Ngọc Linh

2


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Đào tạo Sau
đại học và Viện Cơ khí động lực đã cho phép tơi thực hiện luận văn tại Trƣờng Đại
học Bách khoa Hà Nội. Xin cảm ơn Viện Đào tạo Sau đại học và Viện Cơ khí động
lực về sự hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt q trình tơi làm luận văn.
Tơi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Trọng Hoan đã hƣớng dẫn tơi hết
sức tận tình và chu đáo về mặt chun mơn để tơi có thể thực hiện và hồn thành
luận văn.
Tơi xin chân thành biết ơn q thầy, cơ Bộ mơn Ơ tơ và Xe chun dụng Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội luôn giúp đỡ và dành cho tôi những điều kiện
hết sức thuận lợi để hồn thành luận văn này.
Tơi xin cảm ơn Ban Giám hiệu trƣờng Đại học Công nghệ thông tin và Truyền
thông, Ban chủ nhiệm Khoa Cơng nghệ Tự động hóa và các thầy cô trong Khoa đã
hậu thuẫn và động viên tơi trong suốt q trình học tập.
Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong hội
đồng chấm luận văn đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến quý báu để tơi có thể
hồn chỉnh luận văn này.
Cuối cùng tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những ngƣời
đã động viên khuyến khích tơi trong suốt thời gian tơi học tập.
Tuy nhiên do cịn có hạn chế về thời gian, kiến thức và kinh nghiệm thực tiễn
nên đề tài của tơi có thể cịn nhiều thiếu sót. Tơi mong sẽ nhận đƣợc sự góp ý của
các thầy cô trong hội đồng, ngƣời đọc để giúp tơi có thể hồn thiện luận văn của
mình hơn.
Học viên

Tống Ngọc Linh

3


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................2
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................3
DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................7
DANH MỤC HÌNH ẢNH ..........................................................................................8
Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐỒNG TỐC TRONG HỘP SỐ Ô TÔ ..............10
1.1. Cấu tạo chung, phân loại và các yêu cầu đối với bộ đồng tốc .......................10
1.1.1 Nhiệm vụ của bộ đồng tốc .......................................................................10
1.1.2. Cấu tạo chung và nguyên lý hoạt động của bộ đồng tốc ........................11
1.2. Đặc điểm cấu tạo một số loại đồng tốc thông dụng .......................................16
1.2.1. Bộ đồng tốc đa côn ma sát ......................................................................17
1.2.2. Bộ đồng tốc đa côn ma sát ngồi ............................................................17
1.2.3. Bộ đồng tốc với chốt khóa ......................................................................18
1.2.4. Bộ đồng tốc Eaton L.F ............................................................................19
1.2.5. Bộ đồng tốc nhiều đĩa .............................................................................20
1.2.6. Bộ đồng tốc Porsche................................................................................21
1.3. Các nghiên cứu về bộ đồng tốc ......................................................................22
1.3.1 Các cơng trình nghiên cứu trong nƣớc .....................................................22
1.3.2 Các cơng trình nghiên cứu ngồi nƣớc ....................................................22
1.4. Nội dung của luận văn....................................................................................23
1.4.1. Mục tiêu nghiên cứu................................................................................23
1.4.2. Phạm vi nghiên cứu .................................................................................23
1.4.3. Phƣơng pháp nghiên cứu.........................................................................23
1.4.4. Nội dung của luận văn ............................................................................24

4

Chƣơng 2: TÍNH TỐN VÀ KHẢO SÁT BỘ ĐỒNG TỐC ...................................25
2.1. Các thơng số cơ bản và phƣơng pháp tính tốn .............................................25
2.1.1. Các thơng số vận hành cơ bản của bộ đồng tốc qn tính trong hộp số ơ
tơ. .......................................................................................................................25
2.1.2. Phƣơng pháp tính tốn ............................................................................27
2.2. Mơ phỏng và tính tốn bộ đồng tốc ...............................................................32
2.2.1. Mơ phỏng và tính tốn bộ đồng tốc trong trƣờng hợp mô men ma sát
thay đổi ..............................................................................................................32
2.2.2. Mơ phỏng và tính tốn bộ đồng tốc bằng mơ hình dao động xoắn .........32
2.3. Các thơng số đánh giá hoạt động của bộ đồng tốc .........................................40
Chƣơng 3: NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ KẾT CẤU TỚI
HOẠT ĐỘNG CỦA BỘ ĐỒNG TỐC QN TÍNH TRÊN Ơ TƠ .........................43
3.1. Các số liệu tính tốn .......................................................................................43
3.2. Xác định các thông số của bộ đồng tốc ..........................................................43
3.2.1. Mô men ma sát của bộ đồng tốc .............................................................44
3.2.2. Thời gian đồng tốc, độ suy giảm vận tốc, công ma sát riêng, mức gia
tăng nhiệt độ ......................................................................................................44
3.3. Khảo sát ảnh hƣởng của các thông số tới hoạt động của bộ đồng tốc ...........46
3.3.1. Ảnh hƣởng của các thông số kết cấu tới mô men ma sát của bộ đồng tốc
...........................................................................................................................46
3.3.2. Ảnh hƣởng của các thông số kết cấu tới thông số của bộ đồng tốc ........49
3.4. Mơ phỏng và tính tốn q trình đồng tốc trong trƣờng hợp mô men ma sát
thay đổi bằng phần mềm Matlab Simulink ...........................................................54
3.4.1. Thiết lập số liệu tính tốn ........................................................................55
3.4.2. Thiết lập Simulink ...................................................................................56

5

3.4.3. Kết quả Simulink.....................................................................................56
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ................................................................60
TÀI LỆU THAM KHẢO ..........................................................................................61

6


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Giá trị vận tốc góc động cơ ......................................................................27
Bảng 3.1: Thông số tham khảo .................................................................................43

7


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Cấu tạo của bộ đồng tốc ............................................................................10
Hình 1.2: Mơ phỏng q trình gài số ........................................................................11
Hình 1.3: Quy luật thay đổi vận tốc khi chuyển số ...................................................12
Hình 1.4: Ảnh hƣởng của lực điều khiển tới thời gian đồng tốc ..............................13
Hình 1.5: Cấu tạo chi tiết bộ đồng tốc kiểu Borg-Warner (ZF) ................................14
Hình 1.6: Quá trình đồng tốc.....................................................................................15
Hình 1.7: Bộ đồng tốc đa cơn ma sát ........................................................................17
Hình 1.8: Bộ đồng tốc đa cơn ma sát ngồi (Mercedes-Benz) .................................17
Hình 1.9: Bộ đồng tốc với chốt khóa ........................................................................18
Hình 1.10: Bộ đồng tốc Eaton LF .............................................................................19
Hình 1.11: Bộ đồng tốc nhiều đĩa .............................................................................20
Hình 1.12: Bộ đồng tốc Porsche ...............................................................................21
Hình 2.1: Sơ đồ tính tốn bộ đồng tốc qn tính ......................................................25
Hình 2.2: Sơ đồ tính tốn bộ đồng tốc ......................................................................28

Hình 2.3: Sơ đồ mơ phỏng q trình chuyển số ........................................................28
Hình 2.4: Biến thiên vận tốc góc trong q trình đồng tốc .......................................30
Hình 2.5: Ảnh hƣởng của hệ số cản của đƣờng tới thời gian đồng tốc tc và độ suy
giảm vận tốc chuyển động của ô tô Va ở các mức tải khác nhau ...........................31
Hình 2.6: Các thơng số đặc trƣng cho một phần tử trong mơ hình dao động ...........33
Hình 2.7: Sơ đồ HTTL (a) và mơ hình mơ phỏng tƣơng ứng (b) .............................33
Hình 2.8: Ví dụ chuyển đổi từ mơ hình cơ học sang sơ đồ động lực........................34
Hình 2.9: Sơ đồ mơ phỏng bộ đồng tốc qn tính ....................................................38

8


Hình 2.10: Ảnh hƣởng của mơ men qn tính J1' đến thời gian đồng tốc tc, nhiệt độ
0 và công ma sát riêng L’ .........................................................................................42
Hình 3.1: Ảnh hƣởng của lực tác động của ngƣời lái tác động lên cần số đến mơ
men ma sát của bộ đồng tốc ......................................................................................46
Hình 3.2: Ảnh hƣởng của bán kính rc đến mơ men ma sát của bộ đồng tốc .............47
Hình 3.3: Ảnh hƣởng của hệ số ma sát đến mô men ma sát của bộ đồng tốc ..........48
Hình 3.4: Ảnh hƣởng của góc ϭ đến mơ men ma sát của bộ đồng tốc .....................48
Hình 3.5: Ảnh hƣởng của lực tác động của ngƣời lái tác động lên cần số đến thời
gian đồng tốc .............................................................................................................49
Hình 3.6: Ảnh hƣởng của bán kính rc đến thời gian đồng tốc ..................................50
Hình 3.7: Ảnh hƣởng của hệ số ma sát đến thời gian đồng tốc ................................51
Hình 3.8: Ảnh hƣởng của góc ϭ đến thời gian đồng tốc ...........................................52
Hình 3.9: Ảnh hƣởng của mơ men qn tính J1' đến thời gian đồng tốc tc ...............53
Hình 3.10: Ảnh hƣởng của mơ men qn tính J1' đến cơng ma sát riêng L’ ............53
Hình 3.11: Ảnh hƣởng của mơ men qn tính J1' đến nhiệt độ 0 ............................54
Hình 3.12. Thiết lập các số liệu tính tốn .................................................................55
Hình 3.13. Thiết lập Simulink ...................................................................................56
Hình 3.14. Mơ phỏng q trình thay đổi mơ men ma sát của bộ đồng tốc ...............56

Hình 3.15. Mơ phỏng và tính tốn độ suy giảm vận tốc trong q trình đồng tốc ...57
Hình 3.16. Mơ phỏng q trình thay đổi mơ men ma sát của bộ đồng tốc khi hệ số k
thay đổi ......................................................................................................................58
Hình 3.17. Sự thay đổi của thời gian đồng tốc khi hệ số k thay đổi .........................59

9


Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐỒNG TỐC TRONG HỘP SỐ Ô TÔ
1.1. Cấu tạo chung, phân loại và các yêu cầu đối với bộ đồng tốc
1.1.1 Nhiệm vụ của bộ đồng tốc
Bộ đồng tốc đƣợc sử dụng rộng rãi trong các hộp số cơ khí điều khiển bằng tay
cũng nhƣ trong các hộp số đƣợc tự động hóa nhằm tạo điều kiện cho các vành răng
cần gài với nhau có cùng vận tốc quay. Ngồi ra, các hộp số với ly hợp kép cũng sử
dụng bộ phận cài số kiểu này.

Hình 1.1: Cấu tạo của bộ đồng tốc
1- Bánh răng quay trơn trên trục; 2- Vành răng và mặt côn ma sát;
3- Vành đồng tốc với mặt côn và các răng khóa;
4- Moay ơ của bộ đồng tốc có then hoa lắp trên trục;
5- Ống trượt có rãnh chứa nạng gạt; 6- Trục hộp số.
Đối với hộp số ô tô tải, ngƣời ta thƣờng bỏ qua các bộ đồng tốc vì lý do kinh tế
và tăng độ bền hộp số. Nếu khơng có các bộ đồng tốc thì trục của hộp số sẽ ngắn
hơn và nhờ đó độ cứng vững đƣợc tăng lên. Ngoài ra, nếu bƣớc số nhỏ (khoảng
cách giữa các tỷ số truyền lân cận nhỏ) hoặc do khối lƣợng qn tính nhỏ (hộp số xe
máy) thì cũng có thể bỏ qua bộ đồng tốc.
Trên hình 1.1 mô tả cấu tạo của một bộ đồng tốc. Nhiệm vụ của nó là dùng ma
sát để đƣa trục 6 và bánh răng cần gài 1 (quay trơn trên trục) về cùng 1 tốc độ. Chỉ
sau khi quá trình đồng tốc thực hiện xong thì ống trƣợt 5 mới có thể đi vào ăn khớp
10

với vành răng 2 (cố định trên bánh răng 1). Bộ đồng tốc gồm 2 bộ phận cơ bản là
khớp ma sát (các bề mặt côn) và một khớp răng. Khớp ma sát thực hiện nhiệm vụ
đồng đều tốc độ giữa hai chi tiết cần gài với nhau trong thời gian từ 0,1 đến 0,3
giây, và chỉ sau đó khớp răng mới có thể đƣợc cài.
1.1.2. Cấu tạo chung và nguyên lý hoạt động của bộ đồng tốc
a) Thời gian đồng tốc
Quá trình đồng tốc và gài số trong một hộp số 2 cấp (số 1 và số 2) đƣợc mơ tả
trong sơ đồ ngun lý hình 1.2.
Thời gian đồng tốc phụ thuộc chủ yếu vào các khối lƣợng quán tính. Trên sơ đồ
mơ tả khối lƣợng qn tính của các chi tiết quay trên trục của ly hợp J L, khối lƣợng
qn tính tƣơng đƣơng của ơ tơ JA quy về trục thứ cấp của hộp số (JA >> JL). Ngồi
ra, cịn có khối lƣợng qn tính của các bánh răng.

Hình 1.2: Mơ phỏng q trình gài số
1,2,4,6- Các bánh răng cố định trên trục; 3,5- Các bánh răng quay trơn trên trục
7- Ống răng; 8- Vành răng khóa; 9- Vành răng gài số; 10- Các bề mặt ma sát;
11- Thân của bộ đồng tốc; I- Trục sơ cấp; II- Trục thứ cấp; III- Trục trung gian.
Giả sử, ta xét quá trình chuyển từ số 2 về số 1. Do khối lƣợng quán tính của các
bộ phận liên kết với bánh răng 5 nhỏ hơn nhiều so với khối lƣợng quán tính của các
bộ phận nối với trục thứ cấp, nên quá trình đồng tốc sẽ ép bánh răng 5 quay cùng

11


vận tốc với trục thứ cấp. Khi bộ đồng tốc đã đƣợc đƣa về vị trí trung gian, ống trƣợt
của bộ đồng tốc quay cùng vận tốc với trục thứ cấp ωII (đƣợc coi là khơng thay đổi
trong q trình đồng tốc), còn bánh răng cần gài 5 quay với vận tốc ω5,0. Lúc này,
vận tốc của bánh răng 5 nhỏ hơn vận tốc của trục thứ cấp (ω5,0 < ωII). Nhiệm vụ của

bộ đồng tốc là đƣa 2 bộ phận trên về cùng 1 tốc độ để có thể đƣa khớp trƣợt vào ăn
khớp với vành răng trên bánh răng số 5. Độ chênh lệnh vận tốc cần khắc phục là:
. Q trình gài số bắt đầu khi có lực điều khiển tác động lên ống
răng 7, đẩy nó sang phải. Do mắc phải khóa 8 nên ống trƣợt đẩy các bề mặt ma sát
tiếp xúc với nhau. Lúc này, ống răng 7 và bánh răng 5 đƣợc nối với nhau thơng qua
ma sát, nhờ đó vận tốc của bánh răng 5 cùng với các khối lƣợng gắn với nó tăng dần
cho tới khi bằng vận tốc của ống răng 7. Khi đã đạt đƣợc sự đồng đều tốc độ thì
khóa 8 mở, cho phép ống răng 7 trƣợt về phía bánh răng 5 và vào ăn khớp với vành
răng trên nó. Trong q trình đồng đều tốc độ, các bề mặt ma sát trƣợt trên nhau
sinh ra nhiệt và làm mài mòn các bề mặt.
Thời gian đồng tốc và quy luật thay đổi vận tốc phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác
nhau. Trên hình 1.3 mơ tả một số quy luật thay đổi vận tốc cho quá trình chuyển số
từ số cao về số thấp (trái) và từ số thấp lên số cao (phải). Ở đây, ngƣời ta đã chấp
nhận giả thiết là vận tốc của trục thứ cấp khơng đổi trong q trình đồng tốc
(ωII = const).

Hình 1.3: Quy luật thay đổi vận tốc khi chuyển số

12


Khi chuyển từ số cao về số thấp, do vận tốc của bánh răng cần gài 5 nhỏ hơn vận
tốc của trục thứ cấp, nên trong quá trình đồng tốc đồng nghĩa với việc tăng dần vận
tốc của bánh răng này cho tới khi nó đạt đƣợc vận tốc bằng vận tốc của trục (hình
trái). Thời điểm bắt đầu quá trình đồng tốc là t0. Khoảng thời gian từ t0 đến t1 thể
hiện độ chậm tác dụng trong hệ thống điều khiển. Từ thời điểm t1 quá trình đồng tốc
bắt đầu, vận tốc ω5 có thể tăng theo các quy luật khác nhau (a, b, hoặc c). Quá trình
kết thúc tại thời điểm t1, khi ω5 = ωII. Khoảng thời gian từ t1 đến t2 đƣợc gọi là thời
gian đồng tốc tR = t2 – t1.
Quá trình chuyển từ số thấp lên số cao xảy ra tƣơng tự nhƣ quá trình chuyển từ

số cao về thấp đã mơ tả trên đây. Do vận tốc ban đầu của bánh răng 3 tại thời điểm
bắt đầu của quá trình đồng tốc ω3,0 lớn hơn vận tốc của trục thứ cấp, nên quá trình
đồng tốc xảy ra theo hƣớng giảm vận tốc của bánh răng 3 từ ω3,0 cho tới khi ω3 = ωII
(hình phải). Thời gian đồng tốc cho trƣờng hợp này nhỏ hơn thời gian đồng tốc khi
chuyển từ số cao về số thấp.
Thời gian đồng tốc đƣợc quy định phải nhỏ hơn 0,3 – 1s đối với hộp số ô tô con.
Đối với hộp số của ô tô tải, thời gian này không đƣợc vƣợt quá 0,5 – 2s. Nếu có hộp
chia trƣớc dẫn động điều khiển bằng khí nén thì thời gian đồng tốc trong hộp này
khơng q 0,15s. Thời gian đồng tốc trong hộp số phụ của ô tơ tải, điều khiển khí
nén đƣợc giới hạn ở 0,2s.
Có thể giảm thời gian đồng tốc bằng cách tăng lực điều khiển. Trên hình 1.4 mơ
tả ảnh hƣởng của lực điều khiển tới thời gian chuyển số ở các cấp số khác nhau.

Hình 1.4: Ảnh hưởng của lực điều khiển tới thời gian đồng tốc

13


b) Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bộ đồng tốc
Cấu tạo của bộ đồng tốc đƣợc mô tả chi tiết trên hình 1.5. Moay ơ 4 đƣợc lắp cố
định trên trục bằng then hoa, vành ngồi của nó có các răng ăn khớp với vành răng
trong của ống gài 8.

Hình 1.5: Cấu tạo chi tiết bộ đồng tốc kiểu Borg-Warner (ZF)
1- Bánh răng quay trơn trên ổ bi kim; 2- Vành răng gài số cùng với mặt côn ngồi;
3- Vành răng khóa cùng với mặt cơn trong; 4- Moay ơ của bộ đồng tốc; 5- Lò xo;
6- Chốt bi; 7- Cá định vị; 8- Ống răng gài số.
Ống gài có thể trƣợt dọc trục nhờ lực điều khiển tác động từ nạng gạt lên rãnh
tiện trên mặt ngoài của nó. Vành ma sát 3 có mặt trong đƣợc chế tạo hình cơn và
thực hiện chức năng tạo ra ma sát khi tiếp xúc với mặt cơn bên ngồi của vành răng

2. Trên vành 3 có các rãnh trƣợt ăn khớp với các vấu ở mặt trong của moay ơ sao
cho nó ln quay cùng moay ơ, đồng thời có thể trƣợt dọc trục. Vành răng 2 đƣợc
ghép cứng trên bánh răng 1 và luôn quay cùng với bánh răng này. Giữa moay ơ và
ống gài 8 có cơ cấu định vị gồm các lò xo và chốt bi ln đẩy cá 7 ra ngồi theo
hƣớng kính, nhờ đó mà ống gài đƣợc giữ ở vị trí trung gian.
14


Hình 1.6: Quá trình đồng tốc
2- Vành răng gài số cùng với mặt cơn ngồi; 3- Vành răng khóa cùng với mặt côn trong;
4- Moay ơ của bộ đồng tốc; 5- Lò xo; 6- Chốt bi; 7- Cá định vị; 8- Ống răng gài số.

15


Q trình đồng tốc và gài số đƣợc mơ tả trên hình 1.6 gồm có 5 giai đoạn. Khi có
lực điều khiển F tác động lên ống gài 8 theo phƣơng dọc trục, thơng qua cơ cấu lị
xo và chốt bi, cá 7 đẩy vành ma sát 3 tiến về phía vành răng 2. Khi các bề mặt ma
sát của 2 bộ phận trên tiếp xúc với nhau thì quá trình đồng tốc bắt đầu. Ở giai đoạn
thứ nhất, các đầu răng của ống răng chƣa tiếp xúc với các răng khóa nên vành 3 chỉ
chịu mơ men TR của lực ma sát.
Giai đoạn thứ hai bắt đầu khi các đầu răng của ống gài 8 và vành răng khóa 3 tiếp
xúc với nhau, độ chênh vận tốc

vẫn tồn tại. Lực điều khiển tác động lên mặt vát

của đầu răng trên vành khóa 3 sinh ra mơ men TZ tác động lên vành này ngƣợc
chiều với mô men của lực ma sát. Nhƣng do TZ < TR, nên vành răng 3 khóa cứng
các răng của ơng gài khơng cho nó tiếp tục dịch chuyển. Đây chính là lúc vành răng
3 thực hiện chức năng khóa của nó.

Q trình đồng tốc kết thúc ở giai đoạn thứ ba, khi

. Lúc này mơ men ma

sát TR = 0, nên chỉ cịn mơ men của lực điều khiển TZ tác động lên vành khóa 3 đẩy
nó xoay đi 1 góc nhỏ ngƣợc chiều quay, đủ để các răng của ông gài trƣợt qua khe
hở giữa các răng khóa. Nghĩa là khóa chặn ống gài đã đƣợc mở.
Ở giai đoạn thứ tƣ, lực điều khiển F đẩy ống gài đƣa các răng của nó vào tiếp xúc
với các răng trên vành răng 2. Lúc này chốt đã bị đè xuống và trƣợt ra khỏi ổ của
nó, nên cá 7 trở về vị trí trung gian, khơng tác động lực đẩy lên vành khóa nữa. Lực
điều khiển từ các răng của ông gài tác động lên đầu vát của các răng trên vành 2 tạo
nên mô men vành này theo chiều quay.
Khi vành 2 xoay đi một góc đủ lớn thì các răng của ống gài trƣợt vào ăn khớp với
các răng của nó (giai đoạn thứ năm). Lúc này vành răng 2 và bánh răng cần gài
đƣợc nối cứng với trục của hộp số thơng qua bộ đồng tốc. Q trình đồng tốc và gài
số đến đây là kết thúc.
1.2. Đặc điểm cấu tạo một số loại đồng tốc thông dụng
Cũng với nguyên lý đồng tốc để vào khớp gài số nhƣ trên, hiện nay trên các hộp
số của ô tô sử dụng nhiều loại bộ đồng tốc khác nhau. Dƣới đây là một số loại bộ
đồng tốc thông dụng.

16


1.2.1. Bộ đồng tốc đa cơn ma sát

Hình 1.7: Bộ đồng tốc đa côn ma sát
1- Bánh răng quay trơn trên trục;
2- Vành răng trên bánh răng;
3- Vành côn kép;

4- Vành côn trung gian;
5- Moay ơ bộ đồng tốc.

Trong trƣờng hợp bánh răng cần gài số có khối lƣợng quán tính lớn, ngƣời ta sử
dụng bộ đồng tốc đa cơn với nhiều mặt côn để tăng mô men ma sát, giảm thời gian
đồng tốc. Loại đồng tốc này thƣờng đƣợc sử dụng ở các cấp số thấp của hộp số ô tô
có tải trọng lớn
1.2.2. Bộ đồng tốc đa côn ma sát ngồi

Hình 1.8: Bộ đồng tốc đa cơn ma sát ngoài (Mercedes-Benz)
1- Bánh răng quay trơn trên trục; 2- Lị xo hãm; 3- Vành cơn ngồi;
4- Moay ơ của bộ đồng tốc; 5- Ống gài; 6- Cá; 7- Rãnh trên bánh răng
17


Hình 1.8 mơ tả cấu tạo của bộ đồng tốc với vành cơn ma sát bố trí bên ngồi của
hãng Mercedes-Benz.
Trong bộ đồng tốc này, vành côn 3 đƣợc lắp trên bánh răng 1 nhờ lò xo hãm 2.
Do vành cơn ma sát nằm bên ngồi vành răng gài số trên bánh răng 1, nên bộ đồng
tốc có tên gọi là cơn ma sát ngồi. Trên mặt trong của vành cơn có ba cá trƣợt 6
đƣợc lắp trong rãnh 7 tƣơng ứng của bánh răng 1. Vành này có thể xoay đi một góc
tƣơng đối so với bánh răng 1 và có thể trƣợt dọc trục nếu lực đẩy trên nó thắng
đƣợc lực của lị xo hãm.
Khi gài số, lực điều khiển đẩy vành cơn ngồi theo hƣớng dọc trục. Mơ men ma
sát quay vành cơn đi một góc xác định. Mặt vát trên cá 6 tạo nên lực khóa không
cho vành côn và ống gài trƣợt dọc trục khi chƣa đồng tốc. Chỉ khi vận tốc của ống
gài và bánh răng 1 bằng nhau (mô men ma sát bằng 0) thì lực đẩy lên mặt nghiêng
sẽ xoay vành cơn đi một góc ngƣợc lại, thực hiện việc mở khóa để ống gài trƣợt vào
khớp với vành răng trên bánh răng 1. Khi ống gài bắt đầu trƣợt về phía bánh răng
thì lị xo 2 thốt ra khỏi rãnh của nó và trƣợt trên mặt cơn bên trong vành răng gài

của bánh răng 1. Tƣơng tác giữa lò xo với côn này sinh ra lực dọc trục, lực này đẩy
vành cơn trở về vị trí ban đầu khi ống gài đƣợc đƣa về vị trí trung gian (khi ra số).
Cách bố trí vành ma sát ngồi có ƣu điểm là tăng đƣợc diện tích ma sát (do tăng
đƣờng kính) nhờ đó giảm đƣợc lực và thời gian đồng tốc để gài số.
1.2.3. Bộ đồng tốc với chốt khóa

Hình 1.9: Bộ đồng tốc với chốt khóa

18


Cấu tạo của bộ đồng tốc với chốt khóa đƣợc mơ tả trên hình 1.9. Ống gài 3 có 6
lỗ chứa các chốt và đƣợc chế tạo liền với moay ơ, lắp trên trục bằng then hoa. Các
chốt 4 đƣợc bố trí trong các lỗ trên ống gài, các đầu của chúng đƣợc lắp chặt với
vành côn 2. Các chốt đƣợc thiết kế thành 2 đoạn: đoạn nằm trong lỗ có kích thƣớc
nhỏ hơn đoạn bên ngồi và giữa chúng là mặt cơn khóa.
Với cách thiết kế nhƣ trên, thì khi chƣa đồng tốc, vành côn 2 quay khác tốc độ
với ống gài 3 làm cho mặt côn trên chốt mắc vào mặt cơn vát trên lỗ. Vì vậy, ống
gài 3 bị khóa cứng, khơng thể dịch chuyển về phía bánh răng.
Khi bánh răng và ống gài đã đồng tốc, lực đẩy lên ống gài làm chốt 4 trƣợt trên
mặt cơn vát trên lỗ, thắng lực của lị xo 5 để đƣa tâm của chốt trùng với tâm của lỗ.
Lúc này, ống gài trƣợt trên đoạn to của chốt để đƣa vành răng của nó vào ăn khớp
với vành răng trên bánh răng.
Với cách bố trí nhƣ trên, mặt cơn ma sát nằm bên ngồi vành răng nên có diện
tích ma sát lớn hơn so với bộ đồng tốc kiểu Borg-Warner.
1.2.4. Bộ đồng tốc Eaton L.F

Hình 1.10: Bộ đồng tốc Eaton LF
1- Vành côn trên bánh răng quay
trơn trên trục; 2- Vành côn ma sát;

3- Đĩa dẫn động; 4- Cơ cấu tạo tải;
5- Vấu trên rãnh then; 6- Bánh răng
cần gài; 7- Trục; 8- Ống gài;
9-Vành răng; 10- Chốt

19


Bộ đồng tốc L.F sử dụng trên hộp số Eaton S Series có đặc điểm là địi hỏi lực
điều khiển không lớn và thời gian sang số ngắn (L.F và viết tắt của Low Force).
Điều này đƣợc thực hiện bằng cách biến đổi lực xuất hiện trong quá trình đồng tốc
thành lực dọc trục để điều khiển.
Cấu tạo của bộ đồng tốc Eaton LF đƣợc thể hiện trên hình 1.8. Khi có lực điều
khiển, đĩa 3 thơng qua chốt 10 đẩy các mặt côn ma sát vào tiếp xúc với nhau. Do có
sự khác tốc giữa đĩa dẫn động 3 và bánh răng cần gài 6 nên mặt côn trên chốt 10
mắc vào mặt côn trên lỗ của đĩa 3 tạo nên lực khóa.
Khi đĩa 3 bắt đầu chuyển động, chốt 10 dịch chuyển sinh ra lực tạo tải trên lị xo
4. Nhờ đó, đĩa 3 trƣợt trên vấu 5 đƣợc bố trí trong rãnh then hoa của trục 7. Vấu 5
đƣợc thiết kế với mặt nghiêng về phía bánh răng cần gài sao cho lực tiếp tuyến của
chuyển động quay đƣợc chuyển thành lực dọc trục hƣớng về phía bánh răng cần gài
6. Lực dọc này làm tăng lực tác dụng lên đĩa dẫn động 3, tăng lực ma sát và đẩy
nhanh quá trình đồng tốc. Khi vận tốc của ống gài 8 và bánh răng 6 bằng nhau thì
các vành răng 9 trên ống gài và bánh răng 6 trƣợt vào ăn khớp với nhau.
1.2.5. Bộ đồng tốc nhiều đĩa

Hình 1.11: Bộ đồng tốc nhiều đĩa
Bộ đồng tốc nhiều đĩa đƣợc phát triển từ các bộ ly hợp ma sát nhiều đĩa, thƣờng
đƣợc sử dụng trong các hộp số thủy cơ. Đặc điểm nổi bật của bộ đồng tốc loại này

20

là tạo đƣợc ma sát rất lớn. Tuy nhiên, nó không đƣợc sử dụng phổ biến do kết cấu
phức tạp và giá thành cao.
1.2.6. Bộ đồng tốc Porsche

Hình 1.12: Bộ đồng tốc Porsche
1- Bánh răng quay trơn trên trục; 2- Vành đồng tốc nối với bánh răng;
3- Vành khóa; 4- Vành đồng tốc; 5- Vòng chặn; 6- Ống gài;
7- Ống dẫn hướng; 8- Tấm chặn; 9- Tấm khóa
Bộ đồng tốc kiểu Porsche có cơ chế tăng cƣờng lực khóa nhằm tránh hiện tƣợng
gài số sớm khi quá trình đồng tốc chƣa kết thúc hẳn. Bộ đồng tốc loại này đòi hỏi
lực điều khiển nhỏ, nhƣng kết cấu phức tạo với yêu cầu kỹ thuật cao nên giá thành
cao. Vì vậy, loại đồng tốc này không đƣợc sử dụng phổ biến.
Vành 4 có dạng khum với phần giữa có đƣờng kính lớn hơn. Trên vành có rãnh
để chứa vấu của tấm chặn 8. Bên trong vành 4 có lắp tấm khóa 9 với vấu vát ăn vào
rãnh trên moay ơ của vành 2. Nằm giữa tấm chặn 8 và tấm khóa 9 là vành trung
gian 3. Khi gài số, lực đẩy lên ống gài 6 tác động lên vành 4 làm các bề mặt ma sát
tiếp xúc với nhau. Nhờ đó, mô men ma sát sẽ kéo vành 4 quay cùng với ống gài 6.
Khi vành 4 quay, nó sinh ra lực đẩy vào tấm chặn 8, tấm này đẩy vào vành trung

21


gian 3 và vành 3 đẩy vào khóa 9. Lúc này, vành khóa 3 bị uốn cong sinh ra lực
hƣớng kính đẩy vành 4 ra phía ngồi làm tăng lực cản dịch chuyển dọc trục của ống
gài 6. Nếu lực điều khiển càng lớn thì lực hƣớng kính cũng càng lớn làm tăng hiệu
ứng khóa, chống lại dịch chuyển của ống gài. Khi các chi tiết cần gài với nhau đã
quay cùng vận tốc, lực đẩy lên tấm khóa mất đi và nhờ đó lực hƣớng kính cũng biến
mất, lúc này ống gạt 6 nén vành 4 lại và trƣợt trên nó để vào khớp với vành răng 2.

1.3. Các nghiên cứu về bộ đồng tốc
1.3.1 Các cơng trình nghiên cứu trong nước
Các nghiên cứu chuyên sâu về hệ thống truyền lực ơ tơ nói chung và bộ đồng tốc
nói riêng ở trong nƣớc còn khá khiêm tốn. Trong những năm gần đây đã có một số
nghiên cứu tập trung vào các vấn đề tính tốn, mơ phỏng, xác định tải trọng, .v.v…
Luận án tiến sĩ của Đỗ Giao Tiến (2016) đã thực hiện các nghiên cứu về tải trọng
động trong hệ thống truyền lực ô tô tải chế tạo tại Việt Nam. Tác giả đã đi sâu
nghiên cứu các chế độ tải trọng nguy hiểm, thực hiện mơ hình hóa và mơ phỏng hệ
thống truyền lực nhằm tính tốn, xác định tải trọng cực đại phục vụ cho việc thiết kế
và hoàn thiện thiết kế. Các kết quả nghiên cứu đƣợc kiểm chứng bằng thực nghiệm
[1].
Một số luận văn thạc sĩ cũng đã đầu tƣ nghiên cứu về hệ thống truyền lực, hộp số
và bộ đồng tốc trong hộp số của ô tô [1 – 6]. Các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào
việc mô phỏng hệ thống truyền lực hoặc các bộ phận của nó nhằm tính tốn, xác
định các thông số kỹ thuật và đánh giá chất lƣợng của chúng. Trong khuôn khổ hạn
hẹp của luận văn thạc sĩ, các nghiên cứu đều chỉ dừng lại ở mức độ khiêm tốn, các
kết quả tính tốn khảo sát mới chỉ thể hiện đƣợc một số tính chất đặc trƣng của bộ
phận nghiên cứu.
1.3.2 Các cơng trình nghiên cứu ngồi nước
Các nghiên cứu về bộ đồng tốc của ơ tô trên thế giới rất phong phú và đa dạng.
Luận văn đã tham khảo một số tài liệu đƣợc công bố trong những năm gần đây.
Harald Naunheimer trong tài liệu “Automotive Transmissions: Fundamentals,
Selection, Design and Application” (2011) đã trình bày kỹ lƣỡng các loại đồng tốc

22


trong hộp số ô tô, phƣơng pháp đánh giá và những kết quả nghiên cứu mới về bộ
đồng tốc [7].
Kenichi Satoh (2003) trình bày phƣơng pháp phát triển một loại đồng tốc mới

cho hộp số ô tô với nhiều bề mặt ma sát dạng côn nhằm nâng cao mô men ma sát,
khả năng chịu tải và tuổi thọ cho bộ đồng tốc.
Lovas công bố các kết quả nghiên cứu khảo sát các pha trong quá trình đồng tốc
dựa trên bộ đồng tốc kiểu Borg–Warner dung cho hộp số ô tô con. Các kết quả cho
phép nghiên cứu các hiện tƣợng xảy ra trong từng pha của quá trình đồng tốc, nhằm
đánh giá hoạt động của nó và cải thiện các thông số thiết kế.
Fan Luo (2015) công bố kết quả mô phỏng và khảo sát bộ đồng tốc ô tô. Bằng
phƣơng pháp mơ hình hóa và mơ phỏng, các tác giả đã xác định đƣợc các thông số
đặc trƣng của bộ đồng tốc.
1.4. Nội dung của luận văn
1.4.1. Mục tiêu nghiên cứu
Luận văn nghiên cứu mối quan hệ giữa các thông số kết cấu và ảnh hƣởng của
chúng tới chất lƣợng làm việc của bộ đồng tốc quán tính. Các kết quả nghiên cứu có
thể giúp cho các nhà thiết kế lựa chọn đƣợc các thông số hợp lý trong khi thiết kế
bộ đồng tốc.
1.4.2. Phạm vi nghiên cứu
Các thông số kết cấu của bộ đồng tốc qn tính ơ tô và ảnh hƣởng của chúng tới
chất lƣợng làm việc của bộ đồng tốc quán tính.
1.4.3. Phương pháp nghiên cứu
- Tính tốn thời gian đồng tốc với giả thiết mơ men ma sát không đổi.
- Khảo sát ảnh hƣởng của các thông số kết cấu tới hoạt động của bộ đồng tốc với
giả thiết mô men ma sát không thay đổi.
- Mơ phỏng và tính tốn q trình đồng tốc trong trƣờng hợp mô men ma sát thay
đổi bằng phần mềm Matlab.

23


1.4.4. Nội dung của luận văn
Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐỒNG TỐC TRONG HỘP SỐ Ô TÔ

1.1. Cấu tạo chung, phân loại và các yêu cầu đối với bộ đồng tốc
1.2. Đặc điểm cấu tạo một số loại đồng tốc thông dụng
1.3. Các nghiên cứu về bộ đồng tốc
1.4. Nội dung của luận văn
Chƣơng 2: TÍNH TỐN BỘ ĐỒNG TỐC
2.1. Các thơng số cơ bản và phƣơng pháp tính tốn
2.2. Mơ phỏng và tính tốn bộ đồng tốc
2.3. Các thông số đánh giá hoạt động của bộ đồng tốc
Chƣơng 3: NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ KẾT CẤU TỚI
HOẠT ĐỘNG CỦA BỘ ĐỒNG TỐC QUÁN TÍNH TRÊN HỘP SỐ Ơ TƠ
3.1. Các số liệu tính tốn
3.2. Xác định các thông số của bộ đồng tốc
3.3. Khảo sát ảnh hƣởng của các thông số tới hoạt động của bộ đồng tốc
3.4. Mơ phỏng và tính tốn q trình đồng tốc trong trƣờng hợp mô men ma sát thay
đổi bằng phần mềm Matlab
KẾT LUẬN

24


Chƣơng 2: TÍNH TỐN VÀ KHẢO SÁT BỘ ĐỒNG TỐC
2.1. Các thơng số cơ bản và phƣơng pháp tính tốn
2.1.1. Các thông số vận hành cơ bản của bộ đồng tốc qn tính trong hộp số ơ tơ.
Hiện nay, hầu hết các bộ đồng tốc sử dụng trong các hộp số ơtơ thuộc loại đồng
tốc qn tính. Ngun lý hoạt động của loại đồng tốc này là sử dụng quán tính của
các phần tử cần đƣợc nối với nhau để tránh gài số trƣớc khi đồng đều đƣợc tốc độ.
Bắt đầu từ khi các bề mặt ma sát tiếp xúc với nhau, quá trình gài số nhờ bộ đồng tốc
quán tính có thể đƣợc chia thành 3 giai đoạn.
Ở giai đoạn thứ nhất xảy ra quá trình đồng đều tốc độ giữa bánh răng và trục nhờ
ma sát giữa các vành côn. Trong khoảng thời gian này, cơ cấu hãm của bộ gài

không cho phép khớp răng dịch chuyển về phía bánh răng cần gài số.
Trong giai đoạn thứ hai xảy ra q trình mở khố hãm, nghĩa là cơ cấu hãm trở
về vị trí ban đầu so với khớp gài. Và cuối cùng là giai đoạn thứ ba khi khớp răng
trƣợt vào ăn khớp với các răng của bánh răng cần gài số.
Sơ đồ tính tốn bộ đồng tốc qn tính đƣợc thể hiện trên hình 2.1a.

Pn


b)

a)
Hình 2.1: Sơ đồ tính tốn bộ đồng tốc qn tính

Jn- mơ men quán tính của các khối lượng phần chủ động quy về bánh răng cần gài;
Ja- mơ men qn tính của các khối lượng phần bị động quy về trục thứ cấp;
Q- Lực điều khiển do người lái tạo nên; i - vận tốc góc của trục thứ cấp ở tay số i.

25