Nghiên cứu động học và động lực học hộp số tự động mô phỏng hoạt động của hộp số

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
CHU THÀNH KHẢI

NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC
HỘP SỐ TỰ ĐỘNG - MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA HỘP SỐ

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC – 60520116

S K C0 0 4 6 4 9

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
CHU THÀNH KHẢI

NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC HỘP SỐ TỰ
ĐỘNG - MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA HỘP SỐ

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC – 60520116
Hướng dẫn khoa học: TS. LÂM MAI LONG

TP.Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2015

LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:
Họ & tên: Chu Thành Khải

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 03/12/1988

Nơi sinh: Lâm Đồng

Quê quán: Lục Ngạn – Bắc Giang

Dân tộc: Nùng

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Trường Đại Học Công Nghệ Đồng Nai – Phường Trảng Dài
– Thành Phố Biên Hòa – Tỉnh Đồng Nai
Điện thoại cơ quan: 0616.554.167

Điện thoại nhà riêng: 0933.956.917

Fax:

E-mail:

II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Trung học chuyên nghiệp:
Hệ đào tạo:

Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ ……

Nơi học (trường, thành phố):
Ngành học:
2. Đại học:
Hệ đào tạo: Chính quy

Thời gian đào tạo: từ 10/2007 đến 10/2011

Nơi học (trường, thành phố): Đại Học Công Nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh
Ngành học: Cơng Nghệ Kỹ Thuật Ơ Tô
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Ổn định phanh trên xe buýt Samco chạy trong
Thành phố Hồ Chí Minh
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 9/2011
Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Văn Phụng
III. Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:
Thời gian

Nơi công tác

Công việc đảm nhiệm

2011-2015

Đại Học Công Nghệ Đồng Nai

Giảng Viên

i

LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 24 tháng 10 năm 2015
(Ký tên và ghi rõ họ tên)

ii


LỜI CÁM ƠN
Trong xu thế hội nhập hiện nay, nền cơng nghiệp Việt Nam đang đứng trước
nhiều khó khăn, thử thách và cả những cơ hội đầy tiềm năng. Ngành ô tô Việt Nam
cũng không ngoại lệ. Khi thế giới bắt đầu sản xuất ô tô chúng ta chỉ được nhìn thấy
chúng trong tranh ảnh, hiện nay khi cơng nghệ về sản xuất ô tô của thế giới đã lên
tới đỉnh cao chúng ta mới bắt đầu sửa chữa và lắp ráp. Bên cạnh đó thị trường ơ tơ
Việt Nam là một thị trường đầy tiềm năng theo như nhận định của nhiều hãng sản
xuất ô tô trên thế giới nhưng hiện nay chúng ta mới chỉ khai thác được ở mức độ
buôn bán, lắp ráp và sửa chữa. Mức thuế 200% đối với xe nhập khẩu vẫn không
ngăn được người dân Việt Nam mua những chiếc xe trị giá cả vài trăm nghìn đến
hàng triệu đơ la, vì đây là một nhu cầu thiết yếu mà số ngoại tệ này là không nhỏ
đối với Việt Nam chúng ta nhất là trong thời kỳ phát triển đất nước như hiện nay.
Với sự phát triển mạnh mẽ của tin học trong vai trị dẫn đường, q trình tự
động hóa đã đi sâu vào các ngành sản xuất và các sản phẩm của chúng, một trong số
đó là ơ tơ, khơng chỉ làm cho người sử dụng cảm thấy thoải mái, gần gũi với chiếc
xe của mình, thể hiện phong cách của người sở hữu chúng. Mà sự tự động hóa cịn
nâng cao hệ số an toàn trong sử dụng. Đây là lý do tại sao các hệ thống tự động luôn
được trang bị cho dòng xe cao cấp và dần áp dụng cho các loại xe thơng dụng. Vì
vậy với đề tài chọn là “Nghiên cứu động học và động lực học hộp số tự động – Mô

phỏng hoạt động của hộp số”. Em rất mong với đề tài này em sẽ củng cố tốt hơn
kiến thức đã được truyền thụ để khi ra trường em có thể tham gia vào ngành ơ tơ
của Việt Nam để góp phần vào sự phát triển chung của ngành.
Em xin được gởi lời cảm ơn chân thành đến Thầy hướng dẫn TS. Lâm Mai Long
đã chỉ bảo em tận tình, giúp em vượt qua những khó khăn vướng mắc trong khi
hồn thành đề tài của mình. Bên cạnh đó là tất cả các Q Thầy Cơ trong khoa,
phịng đào tạo đã tạo mọi điều kiện để em hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp này.

iii


MỤC LỤC
Trang tựa

TRANG

Quyết định giao đề tài
Lý lịch cá nhân
Lời cam đoan

i
ii

Lời cảm tạ
Tóm tắt

iii
iv

Mục lục

v

Danh sách các chữ viết tắt
vi
Danh sách các hình
vii
Danh sách các bảng
viii
Chương 1: TỔNG QUAN ............................................................................................ 1
1.1. Lý do chọn đề tài................................................................................................... 1
1.2. Mục tiêu của đề tài ................................................................................................ 2
1.3. Nhiệm vụ của đề tài .............................................................................................. 2
1.4. Giới hạn của đề tài ................................................................................................ 2
1.5. Đối tượng nghiên cứu ........................................................................................... 3
1.6. Phạm vi nghiên cứu............................................................................................... 3
1.7. Phương pháp nghiên cứu ...................................................................................... 3
1.8. Kế hoạch thực hiện ............................................................................................... 3
Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT................................................................................ 5
2.1. Nguyên lý làm việc chung của hộp số tự động ..................................................... 5
2.2. Biến mô thủy lực ................................................................................................... 6
2.2.1. Sơ đồ nguyên lý ................................................................................................. 7
2.2.2. Nguyên lý truyền momen................................................................................... 8
2.2.3. Nguyên lý khuyếch đại mômen ....................................................................... 11
2.3. Các thông số dùng đánh giá mộ biến mô thủy lực.............................................. 12
2.4. Bộ truyền bánh răng hành tinh ............................................................................ 13

v

2.4.1. Các khái niệm cơ bản ....................................................................................... 13
2.4.2. Phân loại bộ truyền bánh răng hành tinh ......................................................... 14
2.4.3. Động học và động lực học bộ truyền bánh răng hành tinh một dãy ................ 17
2.4.3.1.Động học bộ truyền hành tinh một dãy.......................................................... 17
2.4.3.2.Động lực học bộ truyền hành tinh một dãy.................................................... 19
2.4.4.Quan hệ động học, động lực học bộ bánh răng hành tinh ................................ 22
2.4.4.1.Tỉ số truyền .................................................................................................... 22
2.4.4.2.Mơmen khóa, mơmen ma sát ly hợp .............................................................. 23
2.4.4.3 Các cơ cấu hành tinh thường dùng trên ô tô .................................................. 24
2.5. Ảnh hưởng của mômen ma sát ly hợp đến sự truyền mômen ............................ 34
2.5.1. Sự trượt của ly hợp nhiều đĩa ma sát ............................................................... 34
2.5.2. Ảnh hưởng của mômen hãm đến bộ truyền hành tinh đơn giản ...................... 36
Chương 3: HỘP SỐ TỰ ĐỘNG A140L ................................................................... 42
3.1. Giới thiệu chung về hộp số A140L ..................................................................... 42
3.2. Bộ truyền bánh răng hành tinh trong hộp số tự động A140L ............................. 42
3.3. Ảnh hưởng của mômen hãm đến tỉ số truyền ..................................................... 46
3.3.1. Trường hợp xét ở tay số 1 ................................................................................ 46
3.3.1.1. Khi mômen ma sát ly hợp C1 hoạt động tốt ................................................. 47
3.3.1.2. Khi mômen ma sát ly hợp C1 hoạt động không tốt và bị trượt .................... 48
3.3.2. Trường hợp xét ở tay số lùi.............................................................................. 50
3.3.2.1. Khi mômen ma sát ly hợp C2 và phanh ly hợp B3 hoạt động tốt................. 51
3.3.2.2. Khi mômen ma sát ly hợp C2 hoạt động tốt và phanh ly hợp
B3 không hoạt động ............................................................................................ 52
3.3.2.3. Khi mômen ma sát ly hợp C2 hoạt động tốt và mômen hãm
B3 bị giảm và sinh ra sự trượt ............................................................................. 53
Chương 4: MƠ PHỎNG HOẠT ĐỘNG .................................................................. 57
4.1.Thơng số tính tốn ............................................................................................... 57
4.2. Ảnh hưởng của mơmen khố C1 đến vận tốc xe ở tay số 1 ............................... 58
4.3. Ảnh hưởng của mơmen khố B3 đến vận tốc xe ở tay số lùi

v


khi C2 hoạt động tốt .......................................................................................... 63
4.4. Mô phỏng sự hoạt động bằng phần mềm SolidWorks và
Simulink Simmechanics trong MatLab ............................................................. 67
4.4.1. Ảnh hưởng của ly hợp C1 ở tay số 1 ............................................................... 67
4.4.2. Ảnh hưởng của phanh ly hợp B3 ở tay số lùi .................................................. 70
Chương 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................ 73
5.1. Kết luận ............................................................................................................... 73
5.2. Kiến nghị ............................................................................................................. 73
TÀI LIỆU THAM KHẢO

74

PHỤ LỤC

75

v


Chương 1

TỔNG QUAN
1.1. Lý do chọn đề tài
Hiện nay, các phương tiện giao thông vận tải là một phần không thể thiếu trong
cuộc sống con người. Cũng như các sản phẩm của nền cơng nghiệp hiện nay, ơ tơ
được tích hợp các hệ thống tự động lên các dòng xe đã và đang sản suất với chiều
hướng ngày càng tăng. Với những dòng xe cũ sử dụng hộp số sàn khi chạy liên tục

trong thời gian dài luôn gây ra cảm giác mệt mỏi cho tài xế và gây nên mối nguy
hiểm cho hành khách và hàng hóa khi tài xế khơng cịn phản xạ nhanh khi gặp sự
cố. Ngày nay, hộp số tự động được sử dụng trong nhiều dòng xe con, đã khắc phục
được vấn đề trên là giảm sự mệt mỏi cho tài xế, hộp số tự động được trang bị trên
hệ thống truyền lực của xe là một trong số những hệ thống được khách hàng quan
tâm hiện nay khi mua xe ô tô, đặc biệt là ở thị trường Mỹ và các nước Châu Âu vì
những tiện ích mà nó mang lại khi sử dụng.
Kết cấu và các tay số truyền của hộp số tự động trên xe của mỗi hãng xe là
khác nhau, nhưng cấu tạo chung của nó là gồm các cơ cấu bánh răng hành tinh ăn
khớp với nhau, việc thay đổi các tỉ số truyền của hộp số phụ thuộc vào phần tử được
hãm và các lực mômen hãm trong các bộ truyền hành tinh dưới sự điều khiển của hệ
thống thủy lực.
Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, hệ thống thủy lực trong hộp số tự
động ngày nay gần như được điều khiển bằng điện tử nhưng trong q trình hoạt
động của hộp số ln có các vấn đề bị ảnh hưởng bởi nhiều nhân tố bên ngoài tác
động vào. Khi xảy ra sự cố vì một lý do nào đó như áp lực dầu yếu, đĩa ma sát của
các bộ phận phanh hay ly hợp trong kết cấu của nó bị mịn, lúc này hoạt động của
hộp số sẽ không được như ban đầu đồng nghĩa với việc tốc độ xe sẽ bị giảm xuống
do sự cố là sinh ra mômen trượt và mômen hãm sẽ không còn hãm chặt như lúc ban
đầu. Lúc này, tỉ số truyền của cơ cấu sẽ thay đổi và tốc độ xe sẽ khơng cịn được
như mong muốn. Cho nên, đề tài này sẽ tìm hiểu và nghiên cứu về quan hệ động
1


học, động lực học của cơ cấu hành tinh, từ đó sẽ tính tốn trên lý thuyết ảnh hưởng
của các mômen hãm khi bị trượt đến tốc độ của xe.
1.2. Mục tiêu của đề tài
“Nghiên cứu động học và động lực học hộp số tự động – Mô phỏng hoạt động
của hộp số” nhằm tạo ra cơ sở lý thuyết phục vụ cho việc nghiên cứu, tính tốn đến
tốc độ xe sử dụng hộp số tự động khi chạy trên đường. Đề tài nghiên cứu cho thấy

tốc độ của xe khi hoạt động bình thường và khi xảy ra sự cố qua sự tính tốn trên
một hộp số tự động cụ thể, sau đó mơ phỏng trên phần mềm để thấy được sự ảnh
hưởng khi gặp sự cố trong quá trình của hộp số tự động.
1.3. Nhiệm vụ của đề tài
Để thực hiện đề tài này thì cần tập trung vào các nhiệm vụ chính sau:
-

Nghiên cứu mối quan hệ động học, động lực học của hộp số tự động để tính
tốn sự thay đổi của tỉ số truyền, mơmen của các phần tử trong bộ bánh răng
hành tinh.

-

Tính tốn cơ sở lý thuyết về sự ảnh hưởng của sự cố xảy ra trong hộp số, cụ
thể là lực ép dầu của hệ thống thủy lực bị giảm sẽ ảnh hưởng đến tốc độ xe ở
các tay số.

-

Tính tốn và vẽ đồ thị mô tả tỉ số truyền, tốc độ xe phụ thuộc vào lực ép dầu
của mômen ma sát của phanh và ly hợp.

-

Thiết kế, xây dựng mơ hình điều khiển để mô phỏng thấy rằng sự hoạt động
của hộp số thay đổi phụ thuộc vào mômen chủ động, mômen hãm của các
phần tử trung tâm của các bộ bánh răng hành tinh bằng phần mềm SolidWorks
và Matlab Simulink.

-

Nhận xét kết quả thu được từ mơ hình mơ phỏng và rút ra kết luận về sự ảnh
hưởng của mômen ma sát phanh và ly hợp đến tốc độ của xe.

1.4. Giới hạn của đề tài
Vấn đề ảnh hưởng đến tốc độ xe sử dụng hộp số tự động khi gặp sự cố trên
thực tế là vấn đề rất phức tạp vì nó chịu nhiều yếu tố tác động khác nhau và phụ
thuộc vào các trạng thái làm việc khác nhau của xe. Vì vậy đề tài nghiên cứu chỉ

2


giới hạn trong việc nghiên cứu ảnh hưởng của lực ép dầu thủy lực làm thay đổi
mômen ma sát trong các phanh và ly hợp và làm giảm tốc độ của xe khi lực ép dầu
bị giảm.
1.5. Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hộp số tự động TOYOTA A140L được
trang bị trên xe Toyota Camry sử dụng động cơ 3S-FE.
1.6. Phạm vi nghiên cứu:
Đề tài nghiên cứu chỉ tính tốn các thơng số về động học, động lực học của
hộp số tự động như bộ biến mô, bộ truyền hành tinh và dựa vào các trạng thái thay
đổi các tay số của xe khi chuyển động để mô phỏng sự hoạt động của hộp số tự
động phụ thuộc vào lực ép của dầu thủy lực khi gặp sự cố bằng phần mềm hiện có.
1.7. Phương pháp nghiên cứu
Kết hợp với tham khảo tài liệu ở sách giáo khoa và trên internet, từ đó tính
tốn động học và động lực học của một bộ hành tinh đơn giản như xác định tỉ số
truyền, mô men hãm phanh, ly hợp, mơ men khóa các phần tử bộ bánh răng hành
tinh.
Từ đó, áp dụng tính tốn trên cho bộ bánh răng hành tinh ghép lại tạo nên hộp
số hành tinh, cụ thể ở đây là hộp số tự động TOYOTA A140L, xác định tỉ số truyền

cho từng tay số đặc trưng và ảnh hưỏng của các mô men hãm đến tỉ số truyền của
các tay số đó.
Cuối cùng, mô phỏng sự hoạt động của hộp số tự động A140L trên phần mềm.
1.8. Kế hoạch thực hiện
Bảng 1.1. Kế hoạch thực hiện.

Tháng

Thời gian

1 - tháng 1

1

03

07

C ng việc
09

1. Đăng ký tên đề tài.

10

11

12

X

3

01

02

04

05

06

08

09

10


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

X X X

5. Viết chương III, IV

X X X

6. Viết chương V

X X X X

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

X X

4


Chương

CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Nguyên lý làm việc chung của hộp số tự động
Dịng cơng suất truyền từ động cơ qua biến mô đến hộp số và đi đến hệ thống
truyền động sau đó, cấu tạo đặc biệt biến mơ vừa đóng vai trị là một khớp nối thủy
lực, là một bộ phận khuyếch đại mô men từ động cơ, vừa là một cơ cấu an toàn cho
hệ thống truyền lực.
Hộp số không thực hiện truyền công suất đơn thuần bằng sự ăn khớp giữa các
bánh răng mà còn thực hiện truyền công suất qua các ly hợp ma sát, để thay đổi tỷ
số truyền và đảo chiều quay thì trong hộp số sử dụng các phanh và cơ cấu hành tinh
đặc biệt với sự điều khiển tự động bằng thủy lực hay điện tử. Dịng truyền cơng suất
được thể hiện qua hình 2.1.

Hình 2.1: Dịng truyền cơng suất trên xe có sử dụng hộp số tự động

5


2.2. Biến m thuỷ lực

Hình 2.2: Biến mơ thuỷ lực
Bộ biến mô vừa truyền vừa khuyếch đại mômen từ động cơ bằng cách sử
dụng dầu hộp số làm môi trường làm việc. Bộ biến mô bao gồm: cánh bơm được
dẫn động bằng trục khuỷu, rôto tuabin được nối với trục sơ cấp, stator được bắt chặt
vào vỏ hộp số qua khớp một chiều và trục stator, vỏ bộ biến mô chứa tất cả các bộ
phận trên như hình 2.2. Biến mô được nén đầy dầu thủy lực cung cấp bởi bơm dầu.
* Chức năng của biến mô:
- Tăng mô men do động cơ tạo ra.
- Đóng vai trị như một ly hợp thủy lực để truyền hoặc không truyền mô men
từ động cơ đến hộp số.
- Hấp thụ các dao động xoắn của động cơ và hệ thống truyền lực.
- Có tác dụng như một bánh đà để làm đồng điều chuyển động quay của động cơ.
- Dẫn động bơm dầu của hệ thống điều khiển thủy lực.
Trên xe có lắp hộp số tự động bộ biến mô thủy lực cũng có tác dụng như một
bánh đà của động cơ. Do khơng cần có một bánh đà nặng như vậy trên xe có hộp số
thường nên xe có trang bị hộp số tự động sẽ sử dụng luôn biến mô thủy lực kèm tấm
truyền động có vành răng khởi động dùng làm bánh đà cho động cơ. Khi tấm dẫn
động quay ở tốc độ cao cùng biến mô thủy lực trọng lượng của nó sẽ tạo nên sự cân
bằng tốt nhằm ngăn chặn các rung động và làm đồng điều chuyển động của động cơ
khi hoạt động gây ra.

6

2.2.1. Sơ đồ ngun lý
Hình 2.3 là một ví dụ tương tự nguyên lý làm việc của biến mô thủy lực.
Dùng một quạt chủ động quạt gió về phía một quạt bị động giống như thế đặt đối
diện, gần sát và đang ở trạng thái đứng yên. Sau một quãng thời gian ngắn quạt bị
động bắt đầu quay theo quạt chủ động và chiều quay của cả hai là cùng nhau. Giả sử
ta dùng một ống hồi gió về như hình minh họa để lấy nguồn gió sau khi thổi qua
quạt bị động quay trở lại thổi tiếp tục vào quạt chủ động thì năng lượng mà quạt chủ
động cần dùng để thổi cho quạt bị động quay ngay sau đó sẽ giảm hơn so với ban
đầu.
Nói một cách khác, việc truyền công suất giữa hai quạt được thực hiện nhờ
mơi trường khơng khí. Biến mơ cũng làm việc như vậy, bánh bơm đóng vai trị quạt
chủ động, bánh tuabin đóng vai trị quạt bị động và ống hồi gió đóng vai trị gần
giống với bánh phản ứng. Mơi trường làm việc ở đây là dầu thủy lực là một chất
lỏng không chiụ nén nên khả năng truyền công suất sẽ tốt hơn mơi trường khơng
khí rất nhiều.

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

7


2.2.2. Ngun lý truyền mơ men

R2
R1

Wt

Vb2 

ut2 
Vt2
Wt2
ut1

Vt1

Wb2

ub2
Wb1
Vb1
R2 ub1

R1

Wt1


Wb

Vt1
Vb1
Hình 2.4: Sơ đố tính tốn dịng chảy trong biến mơ
Bánh bơm được gắn cố định trên trục chủ động, nối cứng với trục khuỷu
động cơ và quay với tốc độ góc wb. Bánh tuabin được lắp trên trục bằng then hoa
và quay với tốc độ góc wt. Các bánh nằm trong một vành xuyến khép kín gọi là
buồng cơng tác và được nạp đầy dầu thủy lực có áp suất dư. Hình dạng buồng cơng

tác đảm bảo tổn thất năng lượng ít nhất, khi chất lỏng chuyển từ bánh này sang bánh
khác.
Nguyên lý làm việc của biến mô men thủy lực dựa trên cơ sở của định luật
biến thiên mô men động lượng và được giải thích dựa trên hình 2.4. Tại điểm dòng
dầu đi vào bánh bơm, tốc độ dòng chất lỏng trung bình, biểu diễn bằng đường chấm
gạch có giá trị tuyệt đối là vb1. Tốc độ này có thể phân tích thành hai thành phần:
tốc độ vịng hay còn gọi là tốc độ theo ub1 và tốc độ tương đối wb1.
Sau khi đi vào bánh bơm, chất lỏng chuyển động theo profin cánh dẫn đi từ
tâm ra mép ngồi. Dịng chất lỏng có tốc độ là vb 2  ub 2  wb 2 . Khi chuyển động
từ trong ra ngồi bánh bơm trong vịng lưu thơng, năng lượng và động lượng của
dòng chất lỏng tăng lên nhờ mô men truyền cho bánh bơm từ trục khuỷu động cơ.

8


Hiệu mô men động lượng của chất lỏng đối với trục quay của bánh bơm khi đi vào
và đi ra khỏi nó chính bằng mơ men trên trục bánh bơm và xác định theo biểu thức:
Mb = mR2vb2 cos  R1vb1 cos 

(2.1)

Ở đây:
m=

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

R1, R2 - Bán kính bánh công tác ở điểm vào và điểm ra của chất lỏng trên quỹ
đạo trung bình.

 ,  - Góc tương ứng giữa các vec-tơ tốc độ tuyệt đối vb1, vb2 và các tốc độ

theo ub1, ub2
Trong giai đoạn khuyếch đại mơmen khi dịng chất lỏng đi ra khỏi bánh bơm
ta xem như dòng chất lỏng đi ngay vào bánh tuabin. Vì giữa bánh bơm và bánh tua
bin khơng có bánh phản ứng nên động năng của dòng chất lỏng khi ra khỏi bánh
bơm và vào bánh tua bin không thay đổi, nhưng vận tốc tuyệt đối của dòng chất
lỏng khi ra khỏi bánh tua bin sẽ thay đổi chiều (do hình dạng của bánh tua bin).
Điều này có nghĩa là khi đi từ ngoài vào trong, chất lỏng truyền cho tua bin
một mômen bằng về trị số với mômen trên trục bánh bơm. Mặc khác theo định luật
biến thiên mômen động lượng thì mơmen tác dụng lên bánh tua bin cũng chính
bằng hiệu mơmen động lượng của chất lỏng đối với trục quay tua bin khi đi vào và
ra khỏi nó, do đó :
M t  M b  mR2vb2 cos  R1vt1 cos 

(2.2)

 - Góc giữa u t1 và wt1 tại điểm ra của bánh tuabin.

Khi ra khỏi bánh tuabin, dòng chất lỏng chảy qua bánh phản ứng thơng qua
khớp một chiều tác dụng lên dịng chất lỏng này một mô men Mp cùng hướng với
mô men Mb và có giá trị bằng:
M p  mR1vb1 cos  R1vt1 cos 

(2.3)

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

(2.4)

9


Và nếu khơng có bánh phản ứng thì: vt1 = vb1 và   
Nên
Mt = Mb
Tức là biến mô men trở thành ly hợp thủy động nên chỉ có tác dụng truyền mà
không biến đổi mô men.
Từ những suy luận trên ta thấy nhờ bánh phản ứng bị khóa theo chiều quay
ngược chiều quay trục khuỷu làm chuyển hướng dòng chất lỏng chảy ra từ bánh
tuabin về cùng chiều quay của bánh bơm, biến tác động cản trở thành tác động trợ
giúp, vì thế để quay bánh bơm chỉ địi hỏi trục khuỷu động cơ cung cấp một mơ
men Mb < Mt.
Khi tốc độ quay của bánh bơm nb = const (giữa bánh tuabin và bánh bơm đạt
sự cân bằng về tốc độ và mômen) sự tăng tải trọng tác dụng lên trục bánh tuabin
làm giảm tốc độ quay nt của bánh tuabin, ở ngay thời điểm tức thời sau đó vì bánh
bơm vẫn cung cấp dịng dầu có năng lượng và lưu lượng như cũ sẽ làm tăng ngay
lưu lượng dòng dầu qua bánh tuabin, điều này giúp cho bánh tuabin tiếp nhận thêm
năng lượng để bù vào năng lượng tiêu hao do tăng tải trọng, nhưng ngược lại sự tiếp
nhận thêm năng lượng này từ bánh tuabin cũng làm mất đi một phần năng lượng do
trục khuỷu cung cấp cho bánh bơm tức là sẽ làm cho bánh bơm giảm tốc độ. Nếu
khơng có sự điều chỉnh tay ga từ người lái tín hiệu tăng tải và đi kèm giảm tốc độ
của xe có thể làm hộp số chuyển về tỷ số truyền lớn hơn cho đến khi đạt trở lại sự
cân bằng.
Tương tự với trường hợp tải trọng tác dụng lên trục bánh tuabin giảm xuống,
tốc độ bánh tuabin sẽ tăng lên, lập tức lưu lượng dầu đi qua bánh tuabin giảm
xuống. Điều này làm cho công suất bánh bơm cung cấp trở nên lớn hơn mức cần
thiết và làm cho tốc độ bánh bơm tăng lên để đạt lại sự cân bằng. Trong giới hạn tải
trọng và mômen của tay số hiện tại không đáp ứng được sự hiệu chỉnh để đạt sự cân

bằng thì hộp số sẽ tự động chuyển số.

10


2.2.3. Nguyên lý khuyếch đại m men

Hình 2.5: Đường đi của dịng chảy trong biến mơ
Khi biến mơ ở chế độ khuyếch đại mômen, biến mô sử dụng năng lượng còn
lại của dòng dầu sau khi đi qua tuabin và bánh phản ứng tiếp tục tác động vào cánh
bơm bằng cách nhờ vào tác dụng chuyển hướng của bánh phản ứng thay đổi hướng
va đập của dòng dầu quay về vào sau cánh bơm như hình 2.5. Bánh phản ứng khóa
cứng với vỏ của biến mơ men thủy lực nên dịng chất lỏng khơng trao đổi năng
lượng với nó, nghĩa là trong bánh phản ứng chỉ có biến đổi áp năng thành động
năng. Động năng có được này sẽ truyền cho bánh bơm khi dịng dầu quay về bánh
bơm. Vì vậy mơ men quay trên trục bánh tuabin có được sẽ lớn hơn mômen trên
trục bánh bơm tại cùng một thời điểm.
Nếu bánh phản ứng quay tự do thì mơ men xoắn của trục chủ động truyền
cho trục bị động khơng thể tăng được. Khi đó biến mơ men thủy lực làm việc như ly
hợp thủy động.

11


2.3. Các th ng số dùng đánh giá một biến m thủy lực
 Hệ số mô men
Phản ánh quan hệ giữa mô men và các thông số làm việc của biến mô men:
b 

Mb

nb2 D 5

(2.5)

t 

Mt
nt2 D 5

(2.6)

Ở đây
M t : Mơ men bánh tua bin có được (N.m).
M b : Mô men bánh bơm cung cấp (N.m).

 - Trọng lượng riêng của chất lỏng (N/m3)
nb, nt - Số vòng quay của bánh bơm và bánh tuabin (vg/ph)
D - Đường kính lớn nhất trên đĩa bơm (m).
 Hệ số biến mô men
Là tỷ số giữa mô men quay tác dụng lên trục bánh tuabin với mô men quay
tác dụng lên trục bánh bơm.
M
 n 
K  t  t  t 
M b t  nb 

2

(2.7)

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

nt
nb

(2.8)

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

12


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



Do đó:

S

Đặt:

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

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



 = K 1


nb  nt
nb


  K 1 S


(2.9)

Khi ô tô, máy kéo bắt đầu khởi động nt = 0 thì S và Mt cực đại, cịn  = 0,
trong quá trình tăng tốc nt tăng thì S và Mt lại giảm, còn  tăng lên. Ở số vòng quay
bánh tuabin nt = ntmax độ trượt bằng khoảng 23% nên  = 98% (đối với ly hợp thủy
động).
2.4. Bộ truyền bánh răng hành tinh

2.4.1. Các khái niệm cơ bản
Sơ đồ không gian của cơ cấu hành tinh đơn giản một dãy hành tinh được trình
bày như trên hình 2.6.

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

13


Bánh răng có trục hình học chuyển động được gọi là bánh răng hành tinh.
Bánh răng hành tinh có thể có một hay một số vành răng hoặc gồm một số bánh
răng ăn khớp với nhau.
Khâu mà trên đó bố trí trục của các bánh răng hành tinh được gọi là cần dẫn và
thường ký hiệu là h.
Bánh răng mà trục hình học của nó trùng với trục chính của cơ cấu được gọi là
bánh răng trung tâm và thường ký hiệu là k.
Khâu tiếp nhận mômen ngoại lực hay truyền tải trọng và là khâu trung tâm
được gọi là khâu chính của cơ cấu hành tinh.
Ký hiệu cơ cấu hành tinh tương ứng với các khâu chính của nó. Cơ cấu hành
tinh mà trong đó khâu chính là hai bánh răng trung tâm và một cần dẫn được ký hiệu là
2k-h.
Cơ cấu hành tinh mà trong đó tất cả ba khâu chính đều quay được gọi là cơ
cấu vi sai.
Bộ truyền hành tinh có thể bao gồm một hay một số dãy hành tinh kết nối với
nhau. Hay nói một cách khác: cơ sở của bộ truyền hành tinh là các dãy hành tinh
bao gồm các bánh răng ăn khớp ngoài hay hỗn hợp. Phổ biến nhất là các dãy hành
tinh bao gồm các bánh răng ăn khớp hỗn hợp dạng 2k-h, bởi vì chúng cho phép tạo
được tỷ số truyền lớn với kích thước khá nhỏ gọn.

2.4.2. Phân loại bộ truyền bánh răng hành tinh
 Phân loại theo số bậc tự do
Để nhận được một tỷ số truyền hồn tồn xác định, trong HSHT lúc đó chỉ có
thể có một bậc tự do. Các bậc tự do cịn lại phải được loại từ bằng liên kết cứng. Do
vậy số bậc tự do trong cơ cấu bằng số liên kết cứng cộng với 1. Nên CCHT để có
một số truyền cần phải đóng một phanh dải hoặc một ly hợp khoá, tức là phải tạo
nên một liên kết cứng, thì như vậy cơ cấu đó sẽ có hai bậc tự do.
Trong hộp số hành tinh 4, 5 bậc tự do, để nhận được một tỷ số truyền phải có
3, 4 liên kết đồng thời tác động, được trình bảy ở bảng 2.1.

14


Bảng .1: Kiểu CCHT và số lượng số truyền, số lượng phần tử ma sát
Số lượng tỷ số truyền m
3

Kiểu HSHT

4

5

6

7

8

9

10

11

Số lượng phần tử ma sát cần thiết
CCHT hai bậc tự do

3

4

5

6

7

8

9

10

11

CCHT ba bậc tự do

3

4

4

4

5

5

5

5

6

CCHT bốn bậc tự do

-

4

5

5

5

5

5

6

6

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

Dãy CCHT hai bậc tự do

Dãy CCHT ba bậc tự do

Số phần tử ma sát

6

4

Số dãy CCHT

5

3

 Phân loại theo đặc tính ăn khớp

Hình 2.7: Các dãy CCHT cơ bản
Theo đặc tính ăn khớp cơ cấu hành tinh có thể phân ra:
- Dãy hành tinh ăn khớp trong ,ngồi và hỗn hợp. Loại này có ưu điểm là nhỏ
gọn, độ bền cao dùng phổ biến trên ơtơ (hình 2.7a).

15


- Dãy hành tinh ăn khớp ngoài, loại này chỉ dùng cho các hộp số cơ khí có tốc
độ thấp, trên ơtơ khơng hay dùng vì lý do hiệu suất thấp (hình 2.7b).
 Phân loại theo kết cấu
Theo kết cấu, cơ cấu bánh hành tinh có thể chia ra:
- Loại dùng bánh răng trụ răng thẳng hoặc răng nghiêng (hình 2.7a và 2.7b).
Loại này dùng chủ yếu trong hộp số hay truyền lực bánh xe.
- Loại dùng bánh răng côn (hình 2.7c và 2.7d).
Dãy hành tinh dùng bánh răng cơn thường sử dụng trong cụm vi sai giữa các
bánh xe (hình 2.7c hay giữa các cầu (hình 2.7d).
 Phân loại theo số khâu

Hình 2.8: Dãy CCHT ba khâu (a, b) và 4 khâu (c)
Nếu coi bánh răng hành tinh chỉ là khâu liên kết thì CCHT có thể chia ra các
loại: ba, bốn hay năm khâu.
Bộ truyền hành tinh một dãy loại 2k-h có ba khâu cơ bản N (bánh răng bao),
M (bánh răng mặt trời), G (cần dẫn) là bộ truyền đơn giản nhất. Trên hình 2.8a và
2.8b là các bộ truyền ba khâu.
Các cơ cấu hành tinh loại bốn khâu thể hiện trên hình 2.8c.
Loại năm khâu ít dùng, vì khi tăng số khâu dẫn tới tăng số bậc tự do của cơ
cấu, đồng thời để đáp ứng các tỷ số truyền xác định đòi hỏi giải pháp công nghệ
phức tạp, làm tăng cao giá thành.

16


2.4.3. Động học và động lực học bộ truyền hành tinh một dãy
2.4.3.1. Động học bộ truyền hành tinh một dãy
Quan hệ động học giữa các phần tử của một dãy hành tinh có thể xác định bằng
phương pháp đồ thị hay giải tích.
Phương pháp đồ thị dựa trên việc xây dựng họa đồ vận tốc của các khâu, thuận
tiện để nghiên cứu sơ đồ cấu trúc của bộ truyền, nhưng chỉ cho kết quả gần đúng khi
xác định các tỷ số truyền dựa theo hình 2.9.

Hình 2.9: Mơ tả cấu trúc và các quan hệ động học, động lực học
a - Giản đồ tốc độ; b - Sơ đồ CCHT 2HK; c - Quan hệ động lực học.
Khi dùng phương pháp giải tích, ta coi cần dẫn đứng yên và xác định tỷ số
truyền giữa các bánh răng trung tâm theo công thức:
G
i MN
 (M  G ) /(N  G )  (nM  nG ) /( nN  nG )

(2.10)

Dấu trừ ở đây thể hiện chiều quay của các bánh răng trung tâm (mặt trời và
bao) là ngược nhau; Chỉ số trên trong các ký hiệu là chỉ số của khâu cố định;  và n
- Tốc độ góc và số vịng quay của các khâu tương ứng.
G
Do cần dẫn được xem là đứng yên, nên i MN
hồn tồn có thể được tính theo

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

17