Nghiên cứu phương pháp xác định các chế độ tải trọng động tác dụng lên hệ thống truyền lực ô tô
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.66 MB, 84 trang )
..
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
NGUYỄN VĂN QUANG
NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CÁC
CHẾ ĐỘ TẢI TRỌNG ĐỘNG TÁC DỤNG LÊN
HỆ THỐNGTRUYỀN LỰC Ô TƠ
LUẬN VĂNTHẠC SỸ KỸ THUẬT
CHUN NGÀNH KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
Hà Nội - Năm 2013
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
NGUYỄN VĂN QUANG
NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CÁC
CHẾ ĐỘ TẢI TRỌNG ĐỘNG TÁC DỤNG LÊN
HỆ THỐNGTRUYỀN LỰC Ô TƠ
Chun ngành
KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
LUẬN VĂNTHẠC SỸ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS. TS. NGUYỄN TRỌNG HOAN
Hà Nội - Năm 2013
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... 1
MỞ ĐẦU.......................................................................................................................... 7
Chương 1:TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ............................................. 9
1.1.Sự phát triển của ngành công nghiệp ô tô Việt Nam.................................................. 9
1.2. Giới thiệu chung về sự phát triển của ô tô trên thế giới và hệ thống truyền lực ô tô.11
1.3. Giới thiệu về hệ thống truyền lực nói chung ............................................................ 15
1.3.1. Ly hợp.................................................................................................................... 16
1.3.2. Hộp số .................................................................................................................... 16
1.3.3. Trục các đăng ........................................................................................................ 17
1.3.4. Cầu chủ động ......................................................................................................... 17
1.4. Công dụng, phân loại và phân tích kết cấu HTTL ơ tơ ............................................ 17
1.4.1. Vai trò và các chức năng cơ bản của HTTL ô tô: ................................................. 17
1.4.2. Hệ thống truyền lực cơ khí .................................................................................... 18
1.4.3. Hệ thống truyền lực thủy lực ................................................................................. 19
1.4.5. Hệ thống truyền lực ôtô hybrid ............................................................................. 24
1.4.6. Các phương pháp đánh giá HTTL ơtơ ................................................................... 25
1.5.Mục đích, nội dung và phương pháp nghiên cứu luận văn ....................................... 27
1.5.1.Mục đích của luận văn ............................................................................................ 27
1.5.2.Nội dung của luận văn ............................................................................................ 27
1.5.3.Phương pháp nghiên cứu ........................................................................................ 28
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRUYÊN LỰC Ô TÔ29
2.1. KHÁI NIỆM ............................................................................................................. 29
2.2. MƠ TẢ HTTL BẰNG MƠ HÌNH DAO ĐỘNG XOẮN ........................................ 29
2.2.1. Xây dựng sơ đồ mô phỏng hệ thống...................................................................... 29
2.2.2. Xây dựng mơ hình tốn học mơ tả hệ thống ......................................................... 36
2.3. CÁC CHẾ ĐỘ TẢI TRỌNG ĐẶC TRƯNG ........................................................... 43
2.3.1. Tải trọng từ dao động mô men xoắn của động cơ ................................................. 43
2.3.2. Tải trọng từ mấp mô mặt đường ............................................................................ 48
1
2.3.3. Một số điều kiện sử dụng gây tải trọng động lớn trong HTTL và phương pháp
tính tốn. .......................................................................................................................... 56
CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN CÁC TẢI TRỌNG ĐỘNG ............................................ 62
3.1. Xây dựng mơ hình tính tốn ..................................................................................... 62
3.2. Giải bài tốn bằng Matlab - Simulink ...................................................................... 65
3.3. Tính tốn tải động ..................................................................................................... 68
3.4. Khảo sát tải trọng động cho 1 tay số cho các loại xe ............................................... 77
3.4.1. Chọn xe khảo sát: .................................................................................................. 78
2
LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tơi. Những nội dung trình
bày trong Luận văn này do chính tơi thực hiện với sự hướng dẫn khoa học của
PGS.TS. Nguyễn Trọng Hoan, các thầy giáo trường Đại học Bách Khoa Hà Nội cùng
với sự giúp đỡ của các bạn bè, đồng nghiệp. Nội dung của Luận văn hoàn toàn phù
hợp với tên Đề tài đã được đăng ký và phê duyệt của Hiệu trưởng Trường Đại học
Bách Khoa Hà Nội. Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực.
Vĩnh Phúc, ngày 10 tháng 3 năm 2013
HỌC VIÊN
Nguyễn Văn Quang
3
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu
đơn vị
Ý nghĩa
I1
N m2
Mơ men qn tính của động cơ và bánh đà
I2
N m2
Mơ men qn tính của đĩa bị động ly hợp
I3
N m2
Mơ men qn tính của các chi tiết của HTTL
I4
N m2
Mơ men qn tính của các bánh xe chủ động
I5
N m2
Mơ men qn tính của bánh đà tương đương
thay cho khối lượng chuyển động tịnh tiến
e 23
N/m
Độ đàn hồi của các chi tiết của hộp số và trục
các đăng
e 34
N/m
Độ đàn hồi của các chi tiết của các bán trục
e 45
N/m
Độ đàn hồi tiếp tuyến của các lốp xe
ro
m
Bán kính lăn của bánh xe
Me
Nm
Mơ men xoắn của động cơ
tỷ số truyền của HTTL
iT
Mϕ
Nm
Mô men bám
M c max
Nm
Mô men tĩnh của ly hợp khi ở trạng thái đóng
hồn tồn
β
Hệ số dự trữ ly hợp
f
Hệ số cản lăn tương ứng với điều kiện chuyển
động đang xét
Gϕ
kG
Trọng lượng bám của ô tô
ma
kG
Khối lượng của ô tô
g
m/s2
Gia tốc trọng trường
Hệ số đặc trưng cho tốc độ đóng ly hợp
k
tc
s
Thời gian đóng ly hợp
4
DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1- Ký hiệu quy ước các phần tử của các hệ thống động lực .............................35
Bảng 2.2- Công thức xác định các vùng mật độ phổ của biên dạng micro của các loại
đường ô tô ......................................................................................................................55
Bảng 3.1- Bảng thơng số Mơ men qn tính I và Độ đàn hồi e của xe ZIL 130 ..........68
Bảng 3.2- Bảng giá trị của mô men, hệ số tải động ......................................................77
Bảng 3.3- Bảng thông số kỹ thuật của các xe ô tô LADA 2101, GAZ 24, ZIL 130 và
MAZ 500A ....................................................................................................................78
Bảng 3.4- Bảng thơng số Mơ men qn tính I và Độ đàn hồi e của các xe ô tô 2101,
GAZ 24, ZIL 130 và MAZ 500A ..................................................................................78
5
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1- Chiếc xe do George Selden thiết kế vào năm 1877 ......................................12
Hình 1.2- Hệ thống truyền lực trên ơ tơ ..........................................................................15
Hình 1.3- Sơ đồ hệ thống truyền lực ơ tơ có cầu sau chủ động.....................................18
Hình 1.4- Sơ đồ nguyên lý các hệ thống truyền lực cơ khí vơ cấp ...............................19
Hình 1.5- Sơ đồ các dạng truyền động thủy động .........................................................20
Hình 1.6- Sơ đồ nguyên lý hệ thống truyền lực thuỷ lực thể tích .................................22
Hình 1.7- Sơ đồ nguyên lý hệ thống truyền lực điện cơ ...............................................23
Hình 1.8- Ngun lý hoạt động của ơt ơ haybrid ..........................................................24
Hình 1.9- Sơ đồ hybrid nối tiếp và song song ...............................................................25
Hình 1.10- Sơ đồ hybrid hỗn hợp ..................................................................................25
Hình 2.1- Mơ hình cơ học và Sơ đồ động lực tương ứng..............................................31
Hình 2.3- Các bước đơn giản hố hệ thống động lực....................................................42
Hình 2.4- Đồ thị quan hệ giữa mơ men và góc quay của trục khuỷu ............................44
Hình 2.5- Biến thiên mơ men của động cơ theo góc quay trục khuỷu ..........................47
Hình 2.7- Biến thiên của mô men xoắn trên bán trục theo góc .....................................48
Hình 2.8- Phân bố góc dốc của đường và địa hình........................................................52
Hình 2.9- Các miền mật độ phổ của đường ...................................................................54
Hình 2.10- Sơ đồ tính tốn các chế độ tải cực đại trong HTTL ơ tơ .............................57
Hình 3.1- Sơ đồ tính tốn các chế độ tải cực đại trong HTTL ô tô ...............................62
Đồ thị 3.1- Mối quan hệ giữa tốc độ đóng ly hợp k và hệ số tải động k dtb
6
77
MỞ ĐẦU
Ơ tơ là phương tiện giao thơng đường bộ quan trọng trong mạng lưới giao
thông của các quốc gia, đặc biệt ở quốc gia đông dân như nước ta thì nhu cầu vận tải
bằng ơ tơ ln là nhu cầu cấp thiết. Trong nhiều năm trở lại đây, ngành công nghiệp ô
tô của các quốc gia phát triển đã ổn định, nhu cầu trong nước đã thỏa mãn, họ mở rộng
thị trường sang các nước đang phát triển, với nhiều phương thức khác nhau (như: bán
sản phẩm hoàn chỉnh, chuyển giao công nghệ lắp ráp, bán phụ tùng linh kiện). Trước
sự phát triển của ngành công nghiệp ô tô thế giới, ngành công nghiệp ô tô Việt Nam
được thừa hưởng các công nghệ tiên tiến, chủ động xây dựng được mục tiêu, chiến
lược phù hợp với điều kiện trong nước, đồng thời nhanh chóng hịa nhập vào thị
trường cũng như đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật quốc tế.
Để đảm bảo cho sự phát triển của ngành công nghiệp ô tô thì các kiến thức về
thiết kế chế tạo ô tô không ngừng được cải tiến, cho tới nay đã có nhiều cơng trình
nghiên cứu về cơ sở lý thuyết để thiết kế chế tạo ơ tơ. Trong đó, việc thiết kế chế tạo
các cụm trong nước là cần thiết và quan trọng cho Ngành công nghiệp ô tô Việt Nam
phát triển.
Hiện nay, chúng ta thường gặp các loại ô tô có động cơ đốt trong. Sau hơn một
thế kỷ từ khi ra đời và nhất là trong giai đoạn sau năm 1975 đến nay, động cơ đốt
trong không ngừng được hoàn thiện, dẫn tới kết cấu Hệ thống truyền lực (HTTL) có
thay đổi đáng kể. Những chỉ tiêu chính có thể kể tới là: giảm tiêu hao nhiên liệu, tăng
công suất, giảm độ ồn, tăng tốc độ lớn nhất của động cơ... Ảnh hưởng nhiều nhất tới
HTTL là việc tăng tốc độ và tăng công suất động cơ. Do địi hỏi tăng tốc độ ơ tơ và
những phát triển vượt bậc của kỹ thuật động cơ nên đã làm tăng tính đa dạng trong kết
cấu HTTL.
Trước nhu cầu thực tế trên, tác giả đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu phương
pháp xác định các chế độ tải trọng động tác dụng lên Hệ thống truyền lực ô tô”
nhằm xác định các chế độ tải trọng động nguy hiểm phục vụ cho thiết kế Hệ thống
truyền lực ô tô.
7
Tác giả xin gửi lời trân trọng cảm ơn đến các thầy trong Bộ mơn Ơ tơ và xe
chun dụng - Viện Cơ khí Động lực - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội và các bạn
đồng nghiệp, đặc biệt là lời cảm ơn chân thành nhất tới PGS. TS. Nguyễn Trọng Hoan
- Thầy giáo hướng dẫn đề tài đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn trong việc định hướng
nghiên cứu và các phương pháp giải quyết vấn đề cụ thể đặt ra.
Tuy nhiên, do thời gian nghiên cứu và trình độ có hạn, nên đề tài khó tránh khỏi
sai sót, tác giả rất mong tiếp tục nhận được sự quan tâm, đóng góp ý kiến của các thầy,
cơ và các bạn đồng nghiệp nhằm bổ sung và hoàn thiện hơn trong quá trình nghiên cứu
tiếp theo.
Vĩnh Phúc, ngày 10 tháng 3 năm 2013
TÁC GIẢ
Nguyễn Văn Quang
8
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1.
Sự phát triển của ngành công nghiệp ô tô Việt Nam
Trong nhiều năm trở lại đây, ngành công nghiệp ô tô của các quốc gia phát triển
đã ổn định, nhu cầu trong nước đã thỏa mãn, họ mở rộng thị trường sang các nước
đang phát triển như ở Việt Nam, với nhiều phương thức khác nhau (như: bán sản phẩm
hoàn chỉnh, chuyển giao công nghệ lắp ráp, bán phụ tùng linh kiện). Các quốc gia phát
triển cịn liên kết với nhau thơng qua nhiều phương thức (như: tài chính, cơng nghệ,
quy định kỹ thuật hay tập đoàn sản xuất liên quốc gia ...).
Trước sự phát triển của ngành công nghiệp ô tô thế giới, ngành công nghiệp ô
tô Việt Nam được thừa hưởng các công nghệ tiên tiến, chủ động xây dựng được mục
tiêu, chiến lược phù hợp với điều kiện trong nước, đồng thời nhanh chóng hịa nhập
vào thị trường cũng như đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật quốc tế.
Xác định đây là ngành công nghiệp quan trọng, cần ưu tiên phát triển để góp
phần phục vụ có hiệu quả quá trình cơng nghiệp hố, hiện đại hố và xây dựng tiềm
lực an ninh, quốc phòng của đất nước. Năm 2002 Chính phủ đã phê duyệt Chiến lược
phát triển ngành cơng nghiệp ơ tơ Việt Nam đến năm 2010 tầm nhìn 2020 với mục tiêu
“Phát triển ngành công nghiệp ô tô Việt Nam trên cơ sở tiếp thu và ứng dụng công
nghệ tiên tiến của thế giới, kết hợp với khai thác và từng bước nâng cao công nghệ và
thiết bị hiện có, đáp ứng phần lớn nhu cầu thị trường ô tô trong nước, hướng tới xuất
khẩu ô tô và phụ tùng” [Quyết định số 175/2002/QĐ-TTg].
Năm 2004 Chính phủ phê duyệt Quy hoạch phát triển ngành công nghiệp ô tô
Việt Nam đến năm 2010, tầm nhìn 2020. Một trong những quan điểm phát triển ngành
công nghiệp ô tô của nước ta là “Phát triển ngành công nghiệp ô tô trên cơ sở tiếp thu
công nghệ tiên tiến của thế giới, kết hợp với việc đẩy mạnh hoạt động nghiên cứu phát triển trong nước và tận dụng có hiệu quả cơ sở vật chất, trang thiết bị hiện có,
nhằm nhanh chóng đáp ứng nhu cầu trong nước về các loại xe thông dụng với giá cả
cạnh tranh, tạo động lực thúc đẩy các ngành công nghiệp hỗ trợ trong nước phát triển
9
nhằm đẩy nhanh quá trình sản xuất linh kiện, phụ tùng trong nước” [Quyết định số
177/2004/QĐ-TTg].
Những năm gần đây số doanh nghiệp sản xuất, lắp ráp và số lượng ô tô trên cả
nước theo thống kê của Cục Đăng kiểm Việt Nam như sau:
Công nghệ sản xuất ô tô ở nước ta đến thời điểm này vẫn chủ yếu là công nghệ
lắp ráp, các dây chuyền công nghệ mới chỉ dừng lại ở dạng CKD2 (một số linh kiện
chưa được lắp ráp vào khung sản phẩm), IKD1 (tỷ lệ nội địa hóa dưới 10%) sẽ khơng
kích thích nhiều việc sản xuất các chi tiết phụ tùng trong nước phát triển mà chủ yếu là
phát triển công nghệ lắp ráp.
Ngày 30/9/2011 Bộ Trưởng Bộ KH&CN đã ký Quyết định số 3055/QĐBKHCN về việc phê duyệt mục tiêu, nội dung và dự kiến sản phẩm của chương trình
khoa học và cơng nghệ trọng điểm cấp nhà nước giai đoạn 2011-2015: “Nghiên cứu
10
ứng dụng và phát triển ứng dụng cơ khí và tự động hóa”, với mục tiêu “Làm chủ cơng
nghệ, thiết kế, chế tạo và đưa ra thị trường sản phảm cơ khí đủ sức cạnh tranh với khu
vực và thế giới”, trong đó các chi tiết chính của ơ tơ (như: hộp số, động cơ, cầu sau,
cầu trước) thuộc sản phẩm cơ khí chủ yếu.
Ngày 16/5/2012, Thủ tướng Chính phủ đã có Văn bản số 634/TTg-KTN đồng ý
cho dự án nhà máy sản xuất và chế tạo động cơ (Hyundai) Chu Lai - Trường Hải được
hưởng chính sách hỗ trợ theo Quyết định số 10/2009/QĐ-TTg ngày 16/01/2009 của
Thủ tướng Chính phủ về cơ chế hỗ trợ phát triển sản xuất sản phẩm cơ khí trọng điểm
và danh mục các sản phẩm cơ khí trọng điểm, danh mục dự án đầu tư sản xuất sản
phẩm cơ khí trọng điểm giai đoạn từ năm 2009 đến năm 2015 và ngày 22/6/2012 tại
Khu kinh tế mở Chu Lai, UBND tỉnh Quảng Nam và Công ty ô tô Trường Hải đã khởi
công Nhà máy sản xuất và chế tạo động cơ Chu Lai - Trường Hải, chuyên sản xuất
động cơ ô tô Hyundai, dự án hồn thành sẽ góp phần nâng cao tỷ lệ nội địa hóa cho
ngành cơng nghiệp ơ tơ Việt Nam.
Với quốc gia đơng dân như ở Việt Nam thì nhu cầu vận tải bằng ô tô luôn là
nhu cầu cấp thiết, trong bối cảnh đó, việc thiết kế chế tạo, thiết kế cải tạo xe cơ giới là
cần thiết, vì vậy cần đầu tư cho khoa học và công nghệ, đáp ứng nhu cầu trong nước.
Để có thể thiết kế chế tạo ơ tơ cần phải có cơ sở lý thuyết và thiết kế chế tạo được các
cụm trong nước. Trong đó phương pháp xác định các chế độ tải trọng động tác dụng
lên HTTL ô tô là một trong những yêu cầu quan trọng trong quá trình thiết kế, chế tạo
ô tô.
1.2. Giới thiệu chung về sự phát triển của ô tô trên thế giới và hệ thống
truyền lực ô tô.
Chiếc xe ô tô đầu tiên chạy bằng động cơ xăng (động cơ Otto) được Karl Benz
phát minh ra ở Đức năm 1885. Đây là “chiếc ô tô đầu tiên được thiết kế và chế tạo
theo đúng nghĩa”. Mặc dù Karl Benz được công nhận là người sáng tạo ra chiếc ô tô
hiện đại, nhưng nhiều kỹ sư người Đức khác cũng đã làm việc để chế tạo ra những
chiếc ô tô khác trong cùng thời gian như: Gottlieb Daimler và Wilhelm Maybach ở
Stuttgart năm 1886. Trong số những thiết bị mà Karl Benz phát minh cho xe hơi có
chế hồ khí, hệ thống điều chỉnh tốc độ cũng được gọi là chân ga, đánh lửa sử dụng
11
các tia lửa điện từ một ắc quy, bugi, khớp ly hợp, sang số, và làm mát bằng nước. Ông
đã chế tạo thêm các phiên bản cải tiến năm 1886 và 1887 – đưa vào sản xuất năm 1888
- chiếc xe đầu tiên trên thế giới được đưa vào sản xuất. Chúng được lắp các động cơ
bốn thì theo thiết kế của riêng ông.
Chiếc ô tô Hoa Kỳ đầu tiên dùng động cơ đốt trong chạy nhiên liệu gas đã được
thiết kế năm 1877 bởi George Selden ở Rochester- New York. Ông đã xin cấp một
bằng sáng chế cho một chiếc ơ tơ năm 1879.
Hình 1.1- Chiếc xe do George Selden thiết kế vào năm 1877
Ngày 5 tháng 11 năm 1895, George B. Selden được trao bằng sáng chế của Hoa
Kỳ cho một động cơ ơ tơ hai thì. Bằng sáng chế này gây trở ngại nhiều hơn là góp
phần phát triển ôtô ở Mỹ. Các ô tô dùng động cơ hơi nước, điện và xăng đã cạnh tranh
với nhau trong nhiều thập kỷ, cuối cùng động cơ xăng đốt trong đã giành ưu thế áp đảo
trong thập niên 1910.
Ransom E. Oldsmobile, người sáng tạo ra dây chuyền lắp ráp và sản xuất ô tô
lớn đầu tiên năm 1902, sau này được Henry Ford phát triển thêm trong thập kỷ 1910.
Kỹ thuật ơ tơ phát triển nhanh chóng, một phần nhờ sự cạnh tranh lẫn nhau giữa hàng
trăm nhà sản xuất. Những phát triển quan trọng gồm hệ thống đánh lửa và tự khởi
động điện, bộ treo độc lập và phanh bốn bánh. Các loại xe ngày càng được cải tiến và
12
thay đổi về thiết kế. Xe hơi không chỉ đơn thuần là một cơng cụ cơ khí được hồn
thiện mà kể từ những năm 1920 gần như tất cả đã được sản xuất hàng loạt để đáp ứng
nhu cầu thị trường và yêu cầu của người dùng. Alfred P. Sloan là người thiết lập ý
tưởng nhiều kiểu xe được sản xuất bởi một hãng. Những kiểu khác nhau này dùng
chung một số linh kiện do vậy số lượng sản xuất nhiều sẽ làm giảm giá thành cho từng
mệnh giá khác nhau.
Sự phát triển của ngành công nghiệp ô tô luôn gắn liền với sự ra đời và phát
triển của các loại HTTL nói chung và hộp số nói riêng. Được ví như trái tim của hệ
thống truyền lực, hộp số biến đổi mô men, tốc độ làm việc của động cơ sao cho phù
hợp với điều kiện làm việc của bánh xe trên đường. Kể từ khi phát minh nổi tiếng của
George Selden về bộ truyền động cầu trước kết hợp với động cơ 3 xi lanh đặt nằm
ngang trở thành thiết kế trên xe hơi, có rất ít ý tưởng mới phù hợp. Bản phác thảo đầu
tiên của hộp số cận đại do hai kỹ sư người Pháp, Louis-Rene Panhard và Emile
Levassor đưa ra vào năm 1894. Thời kì đó, kết cấu truyền động khá đơn giản bằng bộ
truyền đai hoặc bộ truyền bánh răng cơn. Xe chỉ có thể chạy với tốc độ đa 32 km/h.
Khi gặp vật cản trên đường, tài xế phải dừng lại gài số thấp. Panhard and Levassor nổi
danh không những chỉ với riêng hộp số mà cịn tồn bộ hệ thống truyền lực. Lần này,
họ đã có chiếc xe đầu tiên sẵn sàng chạy khi đạp ga. Bên cạnh đó họ cũng đã có rất
nhiều thay đổi về ý tưởng. Thực tế, nó là một mẫu đã đáp ứng được hầu hết các yêu
cầu của xe được xây dựng vào những năm 90 và cả những năm sau đó. Khơng giống
như mẫu xe hiện thời, thiết kế mới có động cơ đặt dọc phía trước, truyền cơng suất ra
cầu sau thơng qua ly hợp và hộp số trượt 3 cấp và cầu chuyển động bằng xích. Nó gần
giống như hệ thống truyền lực trên các xe hiện đại, nhưng chưa có vi sai và bán trục chủ
động.
Vào năm 1898, Louis Renault kết nối công suất thành công từ động cơ đặt dọc,
qua hộp số tới cầu sau “sống” bằng trục kim loại. Cầu sau “sống” hay cịn gọi là vi sai
cầu sau. Vì đã khắc phục vấn đề mòn lốp, nên phát minh này được hầu hết các nhà sản
xuất ô tô áp dụng. Vi sai bao gồm một cụm bánh răng răng khớp làm nhiệm vụ phân
chia công suất cho hai bánh của cầu sau. Nó cho phép bánh phía ngồi quay nhanh hơn
bánh trong khi xe quay vòng.
13
Năm 1904, hộp số sàn sang số trượt của Panhard-Levassor đã được hiện thực
hóa bởi hầu hết các nhà sản xuất ôtô. Dù tồn tại dưới dạng này hay dạng khác thì
chúng vẫn cịn được sử dụng cho đến thời gian gần đây và đã có những cải tiến, thay
đổi quan trọng nhất là trang bị bộ đồng tốc cho phép quá trình ăn khớp giữa cách bánh
răng diễn ra một cách dễ dàng, không phát sinh va đập. Khoảng thời gian kể từ khi hộp
số sàn xuất hiện cho đến thời điểm phát minh ra bộ đồng tốc, có một phát minh khác
cũng nhằm đơn giản quá trình sang số. Đó chính là hộp số có cấu tạo từ bộ truyền
bánh răng hành tinh, xuất hiện lần đầu tiên trên mẫu Ford Model T 1908. Ngày nay, bộ
truyền hành tinh được sử dụng trên hộp số tự động là chủ yếu.
Kể từ khi hộp số Panhard-Levassor ra đời, tất cả các phát minh hay cải tiến
khác đều nhằm mục đích làm cho q trình sang số dễ dàng hơn. Tất nhiên dễ nhất là
quá trình chuyển số được thực hiện một cách tự động. Sturtevant, giới thiệu hộp số tự
động đầu tiên vào năm 1904. Quả văng ly tâm điều khiển sự ăn khớp của các bánh
răng theo tốc độ. Q trình sang số khơng cần đến sự đóng mở của ly hợp. Tuy nhiên
bộ truyền này gặp lỗi, trọng lượng thường lệch bề một bên.
Reo đã có một sự cố gắng đầy ý nghĩa vào năm 1934 khi cho ra đời hộp số Reo
Self-Shifter gồm hai bộ truyền mắc nối tiếp. Bộ truyền thứ nhất tự động chuyển số
bằng cách điều khiển q trình đóng mở ly hợp ma sát nhiều đĩa theo tốc độ xe. Bộ
truyền thứ 2 được điều khiển bằng tay nhưng chỉ sử dụng khi động cơ cần tỷ số truyền
thấp.
Năm 1937, Oldsmobile tung ra hộp số bán tự động 4 cấp được gọi là “hộp số an
tồn tự động”. Tài xế khơng cần sử dụng tới bàn đạp ly hợp và cần số khi xe chuyển từ
số 1 sang số 2 hoặc từ 3 lên 4. Áp suất dầu điều khiển bộ truyền hành tinh. Điểm sang số
được thiết lập sẵn theo tốc độ động cơ. Đã có 28.000 chiếc Oldsmobile 1938 trang bị
hộp số này. Khía cạnh an tồn mà các nhà sản xuất đưa ra ở đây: lái xe có thể tập trung
trên đường nhiều hơn vì khơng cần thao tác chuyển số. Trên cơ sở đó hộp số GM
Hydra-Matic xuất hiện vào năm 1939. Hydra-Matic gồm 3 bộ truyền bánh răng hành
tinh, điều khiển thủy lực. Bộ kết nối thủy lực làm nhiệm vụ truyền công suất từ động cơ
sang hộp số thay cho ly hợp. Tuy đây không phải hộp số tự động, nhưng nó là hộp số
tiêu chuẩn cùng kết nối thủy lực, khơng có ly hợp.
14
Ý tưởng đã có từ lâu, nhưng đến năm 1948 hộp số tự động hoàn toàn mới xuất
hiện, sử dụng biến mô thủy lực và bộ truyền bánh răng hành tinh như ngày nay. Chiếc
Buick Roadmaster vinh dự là mẫu xe đầu tiên trang bị Dynaflow, một trong những
mẫu hộp số tự động hiện đại.
1.3. Giới thiệu về hệ thống truyền lực nói chung
HTTL bao gồm các cụm nối giữa động cơ và bánh xe chủ động. Hệ thống
truyền lực của ơ tơ có tác dụng truyền chuyển động (tốc độ góc, lực hoặc mơ men
xoắn) từ động cơ đến các bánh xe chủ động. Trị số của lực hay mơ men xoắn này có
thể thay đổi, tùy theo điều kiện làm việc của ơ tơ.
Có rất nhiều loại HTTL khác nhau, đối với các xe ô tô hiện nay thường sử dụng
hai loại chính là HTTL cơ khí có cấp và HTTL vơ cấp.
HTTL cơ khí có cấp thơng thường bao gồm: Li hợp, hộp số chính, hộp phân
phối, cầu chủ động, trục các đăng, bánh xe. Còn HTTL vơ cấp thường bao gồm các
cụm chính là: Bộ biến mơ men, hộp số vơ cấp và có thể có ly hợp
Hình 1.2- Hệ thống truyền lực trên ơ tơ
Cơng dụng chính của hệ thống truyền lực là:
- Truyền và biến đổi mô men xoắn từ động cơ đến bánh xe chủ động sao cho
phù hợp giữa chế độ làm việc của động cơ và mô men cản sinh ra trong q trình ơ tơ
chuyển động.
- Cắt dịng cơng suất trong thời gian ngắn hoặc dài.
15
- Thực hiện đổi chiều chuyển động giúp ô tô chuyển động lùi.
- Tạo khả năng chuyển động êm dịu và thay đổi tốc độ cần thiết trên đường.
1.3.1. Ly hợp
Ly hợp được đặt giữa động cơ và hộp số. Có nhiệm vụ đóng và ngắt cơng suất
từ động cơ đến hệ thống truyền lực. Cắt truyền động từ động cơ đến hệ thống truyền
lực nhanh và dứt khoát trong những trường hợp cần thiết như khi chuyển số một cách
êm dịu. Nó cũng cho phép động cơ hoạt động khi xe dừng và không cần chuyển hộp số
về số trung gian.
Cơng dụng chính của li hợp:
- Nối động cơ với hệ thống truyền lực một cách êm dịu và ngắt truyền động đến
hộp số một cách nhanh chóng, dứt khoát trong những trường hợp cần thiết (khi
chuyển số, khi phanh).
- Khi chịu tải quá lớn ly hợp đóng vai trị như một cơ cấu an tồn nhằm tránh
q tải cho hệ thống truyền lực và động cơ.
1.3.2. Hộp số
Mô men sinh ra bởi động cơ hầu như không đổi. Tuy nhiên khi khởi động hoặc
khi lên dốc xe đòi hỏi mơ men quay phải lớn hơn, cịn khi xe chạy ở tốc độ cao mô
men quay lớn lại không cần thiết nữa. Hộp số là cụm đặt trên ô tô để giải quyết vấn
đề này bằng cách thay đổi tỷ số truyền nhằm biến công suất đầu ra của động cơ thành
mô men và tốc độ quay phù hợp với điều kiện xe chạy. Cơng dụng chính của hộp số
là:
- Biến đổi mô men xoắn của động cơ truyền tới các bánh xe sao cho phù hợp
với các chế độ tải
- Tăng mô men dẫn động bánh xe khi ôtô khởi động và leo dốc
- Dẫn động các bánh xe đạt được tốc độ cao khi cần thiết
- Đảo chiều chuyển động của ôtô
- Cắt chuyển động từ động cơ đến bánh xe chủ động (tay số N).
Hiện nay trên các xe ô tô dùng hai loại hộp số là: Hộp số cơ khí thường và hộp
số tự động. Với hộp số tự động lại được chia làm hai loại là hộp số tự động có cấp và
hộp số tự động vô cấp. Khi tài xế đang lái xe có hộp số thường, cần sang số được sử
16
dụng để chuyển số khi đạp chân ga nhằm mục đích tăng tốc độ xe. Khi lái xe lên dốc
hay khi động cơ khơng có đủ lực để leo dốc tại số đang chạy, hộp số được chuyển về
số thấp. Vì các lý do trên, nên điều cần thiết với lái xe là phải thường xuyên nhận biết
tải và tốc độ động cơ để chuyển số một cách phù hợp. Ở hộp số tự động, những nhận
biết như vậy của lái xe là không cần thiết, lái xe không cần phải chuyển số mà việc
chuyển số lên hay xuống đến số thích hợp nhất được thực hiện một cách tự động tại
thời điểm thích hợp nhất theo tải động cơ và tốc độ xe.
1.3.3. Trục các đăng
Truyền động các đăng dùng để truyền mô men xoắn giữa các trục không nằm
trên cùng một đường thẳng, mà cắt nhau dưới một góc α nào đó (trị số góc α thay đổi),
tức là dùng để truyền mô men quay từ trục của hộp số (hộp phân phối) đến các cầu
chủ động và các bánh xe chủ động.
1.3.4. Cầu chủ động
Cầu chủ động nhận công suất từ động cơ truyền tới để phân phối đến các bánh xe
theo phương vng góc. Cầu xe nâng đỡ các phần gắn lên nó như hệ thống treo, sắt xi.
Cơng dụng chính của cầu xe:
- Truyền cơng suất từ trục chủ động đến các bánh xe sau.
- Thay đổi hướng quay của trục chủ động một góc 90 để quay trục bánh xe.
- Tạo ra sự giảm tốc cuối cùng giữa trục truyền động và bánh xe thông qua các
bánh răng truyền động cuối cùng.
- Chia tổng mô men xoắn tới các bánh xe chủ động.
- Cho phép sai lệch tốc độ giữa các bánh xe khác nhau trong khi xe quay vòng.
- Nâng đỡ trọng lượng cầu sau, toàn bộ hệ thống treo và sắt xi.
- Tác động như một thành phần mô men xoắn khi có gia tốc và thắng.
1.4. Cơng dụng, phân loại và phân tích kết cấu HTTL ơ tơ
1.4.1. Vai trị và các chức năng cơ bản của HTTL ô tô
- Truyền công suất của động cơ tới các bánh xe chủ động;
- Tăng mô men của động cơ nhằm tăng lực kéo tại các bánh xe chủ động;
- Thay đổi mô men và vận tốc tại bánh xe cho phù hợp với các điều kiện chuyển
động khác nhau;
17
- Đảo chiều chuyển động (số lùi);
- Ngắt đường truyền công suất tới bánh xe khi cần thiết.
1.4.2. Hệ thống truyền lực cơ khí
1.4.2.1. Hệ thống truyền lực có cấp
Hệ thống truyền lực truyền thống là HTTL cơ khí có cấp, ở đó tỷ số truyền
được thay đổi bằng cách thay đổi cấp trong hộp.
Hình 1.3- Sơ đồ hệ thống truyền lực ơ tơ có cầu sau chủ động
1- Động cơ; 2- ly hợp; 3- hộp số; 4- trục các đăng; 5- truyền lực chính và bộ vi
sai; 6- bán trục.
Trong hình 1.3 là một ví dụ của HTTL cơ khí có cấp. Nhược điểm lớn nhất của
loại HTTL này là số cấp số có hạn nên khơng thể đáp ứng một cách chính xác các điều
kiện chuyển động.
1.4.2.2. Hệ thống truyền lực vô cấp
Hệ thống truyền lực vô cấp thay đổi tỷ số truyền một cách liên tục trong phạm
vi điều chỉnh của nó, nhờ vậy mà đáp ứng được một cách tốt nhất các điều kiện chuyển
động.
Nguyên lý chung của truyền lực vô cấp bằng ma sát được thể hiện trên hình
1.4- a: mơ men được truyền từ đĩa chủ động 1 sang đĩa bị động 2 nhờ lực ma sát tại
điểm tiếp xúc giữa hai đĩa. Để thay đổi tỷ số truyền, người ta thay đổi bán kính làm
việc r 2 bằng cách bố trí cho đĩa chủ động có thể trượt được dọc trên trục 3 của nó. Như
vậy, ta có tỷ số truyền của truyền động là:
i=
r2
thay đổi được một cách liên tục trong vùng điều chỉnh của nó.
r1
Truyền lực ma sát vơ cấp có thể phân thành ba nhóm như sau: truyền lực đai;
truyền lực tiếp xúc nhiều điểm; truyền lực bằng các đĩa lăn.
18
r2
a)
1
b)
1
3
3
r1
2
r1
ω1
C
r2
ω2
4
4
2
c)
d)
1
2
3
3
r2
r1
r1
r2
2
1
4
Hình 1.4- Sơ đồ nguyên lý các hệ thống truyền lực cơ khí vơ cấp
a)- Sơ đồ ngun lý truyền lực ma sát; b)- Truyền lực tiếp xúc nhiều điểm; c)Truyền lực đai; d)- truyền lực bằng các đĩa lăn.
1.4.3. Hệ thống truyền lực thủy lực
1.4.3.1. Truyền lực thủy động
Truyền động thủy động được phân thành hai loại tùy theo khả năng biến đổi mơ
men của nó: ly hợp thủy lực và biến mô thủy lực.
Trên các ô tô thường sử dụng các ly hợp thủy lực không điều chỉnh có vịng
tuần hồn đối xứng với các cánh hướng kính (hình 1.5). Vịng tuần hồn của chất lỏng
trong ly hợp được tạo bởi vỏ 1 và các cánh thẳng 2 của các bánh cơng tác (hình 1.5-a).
Trong một số trường hợp, cấu tạo ly hợp có thể có dạng như thể hiện trên hình 1.5-b
với khoang rỗng phí bên trong. Trên các sơ đồ vịng tuần hồn chất lỏng trong ly hợp
được thể hiện bằng các mũi tên.
Ly hợp thủy lực có ưu điểm là có thể thay đổi tỷ số truyền một cách liên tục, có
khả năng truyền tải năng lực lớn, cấu tạo đơn giản, giá thành sản xuất thấp, dễ sử dụng
và bảo dưỡng, sửa chữa. Tuy nhiên, nhược điểm chính của ly hợp là khơng có khả
năng biến đổi mô men đã hạn chế phạm vi sử dụng của nó trên các hộp số thủy cơ ơ tơ.
Hơn nữa ly hợp cịn có một số nhược điểm khác như: hiệu suất rất thấp ở vùng làm
19
việc có tỷ số truyền nhỏ, độ nhạy quá cao ảnh hưởng xấu đến đặc tính làm việc kết hợp
với động cơ đốt trong.
Biến mô thủy lực được phân loại theo chiều quay của các bánh bơm và bánh tua
bin, theo số lượng bánh rua bin, theo cách bố trí các bánh phản ứng.
Theo chiều quay của các bánh công tác biến mô được phân thành 2 loại: biến
mô thuận và biến mơ nghịch. Trong biến mơ thuận, dịng chất lỏng trong khoang cơng
tác đi qua các bánh theo trình tự sau: bánh bơm (B), bánh tua bin (T), bánh phản ứng
(P) (hình 1.5-c). Trong các biến mơ nghịch, bánh phản ứng được lắp giữa bánh bơm và
bánh tua bin (hình 1.5-g). Biến mơ nghịch chỉ được sử dụng trên ô tô trong các trường
hợp hộp số thủy cơ có 2 dịng cơng suất.
Hình 1.5- Sơ đồ các dạng truyền động thủy động
Theo số lượng bánh tua bin, biến mô được phân thành các loại: một cấp (có một
bánh tua bin), nhiều cấp (có hai hoặc nhiều bánh tua bin). Trong các biến mô nhiều
cấp, sau mỗi bánh tua bin có bố trí một bánh phản ứng, trừ bánh tua bin cuối cùng
(hình 1.5-f, h). Các bánh tua bin củ biến mô nhiều cấp thường được nối cứng với nhau.
Chúng có thể được nối với nhau nhờ vành 2 nằm trong lịng biến mơ (hình 1.5-f), hoặc
bằng bộ truyền hành tinh D (hình 1.5-h). Bộ truyền này cũng được đặt bên trong biến
mơ và nó cịn có nhiệm vụ tăng hệ số biến đổi mô men của biến mô. Biến mô loại này
được gọi là biến mô vi sai.
20
Theo cách bố trí bánh phản ứng (bánh dẫn hướng) có thể phân biệt các loại biến
mơ đơn giản và biến mô hỗn hợp. Trong các biến mô đơn giản, các bánh phản ứng
được bố trí cố định, chúng khơng có khả năng quay trong q trình làm việc.
Trong các biến mô hỗn hợp, các bánh phản ứng được đặt trên các khớp một
chiều. Các khớp này bị khóa khi biến mô làm việc ở chế độ biến mô thủy lực nhờ một
mô men xoắn tác động ngược chiều quay của bánh bơm. Khi biến mô làm việc ở tỷ số
truyền lớn, chiều tác động của mô men xoắn thay đổi sẽ làm bánh phản ứng quay cùng
với dòng chất lỏng. Lúc này biến mô làm việc ở chế độ ly hợp thủy lực. Chính vì biến
mơ có thể làm việc ở cả 2 chế độ: ly hợp và biến mơ nên nó có tên gọi là biến mơ hỗn
hợp. Trong một số kết cấu, người ta tách bánh phản ứng thành 2 bánh bố trí nối tiếp
nhau (hình 1.5-d), điều này cho phép mở rộng vùng làm việc với hiệu suất cao của
biến mô.
Các biến mô hỗn hợp thường được sử dụng kết hợp với ly hợp khoá Φ (hình 1.5e), nó cho phép khố cứng bánh bơm với bánh tua bin của biến mô tạo nên khối cứng
truyền trực tiếp mô men từ bánh bơm sang bánh tua bin. Ly hợp khoá được điều khiển
nhờ một hệ thống riêng biệt, việc khố cứng biến mơ ở chế độ ly hợp cho phép tăng
hiệu suất làm việc của biến mơ (10 ÷ 20%) và tăng tốc độ chuyển động cực đại của
ôtô. Trong một số trường hợp, nhằm tăng cường khả năng phanh bằng động cơ, người
ta sử dụng khớp một chiều. Khớp này có tác dụng nối cứng trục bánh tua bin với trục
bánh bơm trong trường hợp mô men truyền ngược từ trục tua bin sang trục bánh bơm.
1.4.3.2. Truyền lực thuỷ tĩnh
HTTL thuỷ lực thể tích gồm có bơm thuỷ lực được lắp ngay sau động cơ đốt
trong và một hoặc nhiều động cơ thuỷ lực (hình 1.6). Năng lượng từ bơm được truyền
tới các động cơ thuỷ lực nhờ dòng chất lỏng chuyển động trong các đường ống. Để có
vùng điều chỉnh đủ rộng đáp ứng được điều kiện chuyển động, người ta sử dụng các
loại bơm và hay động cơ thuỷ lực có khả năng điều chỉnh lưu lượng.
21
a)
6
3
5
1
2
4
6
7
8
b)
1
2
7
8
Hình 1.6- Sơ đồ nguyên lý hệ thống truyền lực thuỷ lực thể tích
1- Động cơ; 2- bơm thuỷ lực; 3- động cơ thuỷ lực; 4- trục các đăng; 5- truyền lực
chính và bộ vi sai; 6- bán trục; 7- đường ống; 8- động cơ thuỷ lực.
Trên thực tế có rất nhiều phương án bố trí các máy thuỷ lực, nhưng thơng dụng
hơn cả là hai phương án trình bày trên hình 1.6. Hình 1.6-a thể hiện phương án sử
dụng một động cơ thuỷ lực cho toàn bộ hệ thống truyền lực. Ở phương án thứ hai
(hình 1.6-b), tại mỗi bánh xe chủ động người ta bố trí một động cơ thuỷ lực. Sơ đồ này
thường được sử dụng trên các ôtô nhiề cầu chủ động và để tạo các cầu chủ động trên
các rơ moóc (hoặc bán moóc). Đặc biệt, nhiều loại động cơ thuỷ lực có khả năng phát
huy mơ men rất lớn, nên có thể lắp trực tiếp tại bánh xe mà không cần thêm bộ truyền
cơ khí.
Việc thay đổi tỷ số truyền thường được thực hiện bằng cách điều chỉnh lưu lượng
của bơm thuỷ lực. Đối với ơ tơ nhiều cầu chủ động, người ta có thể mở rộng vùng điều
chỉnh bằng cách cắt bớt số cầu chủ động khi xe hoạt động trên đường tốt. Đối với hệ
thống truyền lực dạng này, quá trình điều khiển thường được tự động hố hồn tồn.
HTTL thuỷ lực thể tích có những ưu điểm chính sau:
- Thay đổi tỷ số truyền một cách liên tục trong phạm vi rộng;
- Bố tri trên xe dễ dàng, gọn và dễ lắp đặt;
- Có khả năng làm việc ổn định lâu dài ở tốc độ thấp;
22
- Bảo vệ động cơ và các bộ phận của hệ thống truyền lực tránh quá tải, tải xung;
- Điều khiển dễ dàng, dễ tự động hố q trình điều khiển;
- Có khả năng đảo chiều chuyển động và phanh ô tô mà không cần có các hệ
thống chuyên dùng.
Nhược điểm chính của HTTL thuỷ lực thể tích là tuổi thọ của các máy thuỷ lực
thấp mà giá thành lại cao. Vì vậy, hiện nay dạng truyền lực này rất hiếm gặp trên ơ tơ.
Nhưng nó lại được sử dụng hết sức rộng rãi trên các loại xe máy có tốc độ di
chuyển chậm hoặc ít di chuyển như xe máy thi công (máy xúc, xe lu, cẩu tự hành, giàn
khoan cọc nhồi,...), các loại xe nâng hạ hàng trong kho bãi, sân bay,..., và một số loại
máy nông-lâm nghiệp.
1.4.4. Hệ thống truyền lực điện
HTTL điện cơ bao gồm hai phần: bộ truyền lực điện và bộ giảm tốc cơ khí. Trong
trường hợp này, người ta đặt sau động cơ đốt trong một máy phát điện. Dòng điện của
máy phát được truyền tới động cơ điện làm động cơ này quay, sau đó mơ men của
động cơ điện được truyền tới các bánh xe chủ động qua bộ truyền cơ khí. Các dạng sơ
đồ truyền lực điện cơ điển hình được thể hiện trên hình 1.7.
8
1
6
3
2
4
5
1
2
6
7
7
a)
b)
8
Hình 1.7- Sơ đồ nguyên lý hệ thống truyền lực điện cơ
1- Động cơ; 2- máy phát điện; 3- động cơ điện; 4- trục các đăng; 5-truyền lực chính
và bộ vi sai; 6-bán trục; 7- dây dẫn điện; 8- động cơ điện và hộp giảm tốc.
HTTL điện cơ có thể được thực hiện theo sơ đồ hình 1.7-a, trong trường hợp này
truyền động từ động cơ điện tới các bánh xe chủ động tương tự như ở HTTL cơ khí thể
hiện trên sơ đồ hình 1.3.
Trên hình 1.7-b là trường hợp dẫn động độc lập: trong mỗi bánh xe chủ động
người ta lắp một động cơ điện cùng với bộ phận giảm tốc. Phương án này có ưu điểm
23
