Thiết kế mô hình học tập hộp số sàn ô tô

THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỌC TẬP HỘP SỐ SÀN Ô TÔ

Lê Quốc Huy, Nguyễn Long Trường Chiến,

Cao Tấn Vĩ, Nguyễn Quang Minh

Viện Công nghệ Việt – Nhật, Trường Đại học Công nghệ TP. Hồ Chí Minh

GVHD: ThS. Đỗ Nhật Trường

TÓM TẮT

Trong tình hình giao thông phức tạp hiện nay, ô tô là một phương tiện đang được sử dụng rất rộng

rãi và chắc hẳn ít ai biết được nhờ bộ phận nào trên xe giúp xe hoạt động được. Đặc biệt là các

bạn sinh viên học khối ngành kỹ thuật cũng chưa tìm hiểu chuyên sâu về bộ phận hộp số này. Do

bộ phận này rất cồng kềnh và nặng, khó di chuyển mà hiện nay cũng chưa có mô hình mô phòng

để đưa vào học lý thuyết. Để giải quyết vấn đề đó nhóm đã tiến hàng khảo sát, nghiên cứu, thiết kế

mô hình hộp số học tập. Là một bộ phận quan trọng trên xe nó tích hợp nhiều chi tiết để giúp xe có

thể di chuyển được. Bài báo này sẽ đi sâu vào nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý hoạt động, tiếng ồn

và sự dao động của hộp số, tập trung giải quyết các vấn đề thực tế, với một mô hình hộp số gần

giống thực tế nhất. Với mục đích nghiên cứu để giải quyết vấn đề mang tính trừu tượng hình dung

các bộ phận thực tế trong giờ học lý thuyết. Đồng thời, tăng khả năng tiếp nhận kiến thức truyền tải

từ giảng viên, mong muốn tạo ra một mô hình mô phỏng hộp số sàn ô tô để cho các bạn sinh viên

được học một cách trực quan hơn, có khả năng tư duy, logic các vấn đề kỹ thuật hoặc nghiên cứu

chuyên sâu tốt hơn. Bên cạnh đó cũng tăng sinh động cho giờ học, đẩy lùi sự nhàm chán.

1 TỔNG QUAN VỀ HỘP SỐ SÀN Ô TÔ

1.1 Khái niệm hộp số sàn

Hộp số là bộ phận truyền sức mạnh từ động cơ đến hệ số dẫn động. Hộp số dùng để thay đổi tỷ số

truyền nhằm thay đổi momen xoắn của các bánh xe, đồng thời thay đổi tốc độ chạy xe phù hợp với

sức cản bên ngoài.

1.2 Phân loại:

– Hộp số 2 trục: Trục sơ cấp và trục thứ cấp.

– Hộp số 3 trục: Trục sơ cấp, trục thứ cấp, và trục trung gian.

Theo số lượng trục chia ra hộp số 2 trục hoặc 3 trục:

– Hộp số trục ngang: Có đường tâm trục vuông góc với trục đối xứng dọc của ôtô.

– Hộp số trục dọc: Có đường tâm trục nằm trong mặt phẳng song song với trục đối xứng dọc

của ôtô.

223

Hình 1. Hộp số: (a) ngang, và (b) dọc

1.3 Nhiệm vụ

Hộp số dùng để thay đổi tỷ số truyền nhằm thay đổi mô men xoắn ở các bánh xe chủ động của xe,

đồng thời thay đổi tốc độ chạy xe phù hợp với sức cản bên ngoài.

– Thay đổi chiều chuyển động của xe (tiến và lùi).

– Tách động cơ ra khỏi hệ thống truyền lực trong khoảng thời gian tùy ý mà không cần tắt máy

và mở ly hợp.

– Dẫn động lực học ra ngoài cho các bộ phận công tác của xe chuyên dùng.

– Hộp số phải có tỷ số truyền một cách hợp lý để nâng cao tính kinh tế và tính động lực học của

ô tô trong khi vận hành.

– Hộp số phải có hiệu suất truyền lực cao, khi làm việc không gây tiếng ồn, chuyển đổi số nhẹ

nhàng không sinh lực va đập ở các bánh răng.

2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

Bánh răng Z’₁được bánh răng cố định trên trục sơ cấp Z_1,kéo và tạo thành cặp bánh răng có tỷ số

truyền ban đầu và ảnh hưởng đến toàn bộ các tỷ số truyền đến các tay số còn lại.

Chuyển số 1: Thông qua cơ cấu điều khiển tay số (vòng trượt, cơ cấu đồng tốc) bánh răng Z’₁trên

trục trung gian ăn khớp với bánh răng Z₄trên trục thứ cấp của hộp số và trục thứ cấp hộp số chuyển

động với tỷ số truyền ứng với tay số này. Tương tự tại các tay số 2, 3, 4.

Số lùi: Điều kiện, xe phải dừng hẳn thì mới có thể sang số được. Thông qua điều khiển tay số dịch

chuyển bánh răng Z’₁trên trục số lùi (đồng thời, nó đóng vai trò là bánh răng trung gian kết nối và

thay đổi chiều chuyển động) ăn khớp với bánh răng Z’’₁(trên trục gian) và bánh răng Z_Itrên trục thứ

cấp. Từ đó, thay đổi được chiều động của ô tô.

224

Hình 2. Hộp số dọc 3 trục

3 MỨC ĐỘ TIẾNG ỔN CỦA HỘP SỐ

Hộp số cũng được cấu thành từ các bánh răng ăn khớp với nhau, do đó các khi hoạt động nó cũng

là 1 trong những nguồn sinh ra rung động, tiếng ồn trong mọi điều kiện hoạt động nó được sử

dụng.

Khi vận hành, hộp số phát ra tiếng ồn môi trường xung quanh bởi 2 lý do chính:

1. Các ứng suất lực theo phương ngang và theo phương dọc trục, tại ổ bi đỡ, vỏ hộp số trong

quá trình truyền mô-men, công suất giữa trục chủ động và trục bị động.

2. Độ đàn hồi của các bánh răng khác nhau trong hộp số, và sự liên kết lắp ghép giữa bánh

răng với vòng bi (bạc đạn) và vỏ hộp số chưa có tính nhất thống.

Trong quá trình vận hành thì các bánh răng ăn khớp với nhau nên đó có thể là nguyên nhân tạo ra

tiếng ồn, có thể được minh họa như sau:

– Các âm thanh từ bánh răng (tiếng va đập, tiếng các bánh răng ma sát,..).

– Tiếng va đập kim loại (lạch cạch) là khi nó vận hành trong điều kiện có tải. Âm thanh này là

bởi sự rung động, nó được tạo ra khi một bánh răng xảy ra ‚lỗi‛ trong quá trình ăn khớp bánh

răng, đồng thời cũng như do sự không đồng bộ về độ cứng các bánh răng.

– Tiếng ma sát bánh răng là khi hộp số đang chạy trong điều kiện không tải. Tiếng kêu của

bánh răng là tiếng ồn do va chạm gây ra bởi các cặp bánh răng không tải của hộp số. Khắc

phục chỉ cần chỉnh khe hở bánh răng.

Hình 3. Nguyên nhân phát ra tiếng ồn của bánh răng

225

Mô hình hóa độ rung và tiếng ồn của hộp số trong phần mềm COMSOL Multiphysics®

Để mô phỏng toàn bộ các hiện tượng rung và tiếng ồn của hộp số, thực hiện 2 cách:

1. Phân tích đa dòng.

2. Phân tích âm thanh.

Trong phân tích tại nhiều vùng trên hộp số, chúng ta tính toán động lực học của các bánh răng và

dao động tại vỏ, được thực hiện các tốc độ động cơ cụ thể và mô-men xoắn đầu ra được xác định

trong vùng thời gian nhất định. Để phân tích âm thanh (tiếng ồn), chúng ta tính toán các mức độ áp

lực âm thanh vùng ngoài hộp số cho dải tần số sử dụng gia tốc trung bình của vỏ là nguồn phát ra

tiếng ồn.

Phân tích độ rung bên trong hộp số:

Đầu tiên, chúng ta xét sự sắp xếp đồng bộ bánh răng trong hộp số. Ở đây, bánh răng xoắn được

sử dụng để biến đổi nguồn công suất từ đầu vào của trục chủ động (trục sơ cấp) sang trục trung

gian và trục thứ cấp hộp số (Hình 4).

Hình 4. Sự lắp ghép các bánh răng, không có cơ cấu đồng tốc

Tất cả các bánh răng trên trục trung gian thì cố định với trục, trong khi các bánh răng trên trục thứ

cấp có thể xoay tự do quanh trục. Tuy nhiên, khi gài số thì cặp bánh răng tại tay số đó, quay cùng

tốc với trục (trục thứ cấp).

Giả sử, các trục đều cứng và được bố trí vững chắc trên vỏ hộp số, với các vòng bi là gối đỡ các trục.

Đồng thời, trục sơ cấp được kết nối với đầu ra khối động cơ. Các điều kện chủ động mô phỏng như

tốc động cơ, mô-men xoắn.

Các điều kiện lái xe được xem xét cho mô phỏng:

Bảng 1. Giá trị thông số đầu vào

Đầu vào

Giá trị

5000 [rpm]

1000 [N/m]

5

Tốc độ động cơ

Tải mô-men xoắn

Tay số 5

226

Với các cài đặt này, có thể phân tích đa tần số và tính toán các rung động của vỏ như hình dưới:

Hình 5. Sự phân bố ứng suất trên vỏ khi tốc độ của các bánh răng khác nhau

Để hiểu rõ hơn sự biến thiên gia tốc trung bình (biên độ cực đại và cực tiểu) là một hàm số theo thời

gian, ta có thể xét điểm bất kỳ trên vỏ hộp số. Khung thời gian mô phỏng sẽ được tại trục hoành đồ

thị như Hình 5. Từ biểu đồ ta thấy các phản ứng tần số với gia tốc trung bình tại vỏ, với nhiều các

dãy biên độ tần số rung động biến thiên có chu kỳ so với tốc độ quay của trục hộp số. Dải tần chủ

yếu nằm trong khoảng từ 1000 – 3000 Hz.

Hình 6. Đồ thị tần số dao động với tốc độ trục trung bình, khi đo tại 1 điểm trên vỏ hộp số

Phân tích tiếng ồn của hộp số:

Mô phỏng các rung động trong hộp số và quan sát cách mô hình hóa bức xạ nhiễu trong COMSOL

Multiphysics. Đầu tiên là tạo một miền không khí bên ngoài hộp số để mô phỏng bức xạ tiếng ồn

xung quanh.

Để kết hợp động lực học đa âm và âm học, giả sử sự bức xạ nhiễu âm thanh từ hộp số là 1 chiều, vì

chất lỏng bên ngoài là không khí. Điều này, nhằm mô tả rằng các rung động từ vỏ hộp số sẽ ảnh

hưởng đến chất lỏng xung quanh, bỏ qua phản hồi từ sóng âm.

227

Phân tích âm thanh được thực hiện cho một loạt dãy tần số. Khi phân tích đa tần số được giải quyết

trong miền thời gian, bộ giải được sử dụng để chuyển đổi gia tốc trong không gian từ miền thời

gian sang miền tần số.

Hình 7. Miền không khí bao phủ hộp số để phân tích âm thanh.

Hai microphone được đặt để đo mức độ tiếng ồn

Là một nguồn gây ra tiếng ồn, ứng với gia tốc trung bình của vỏ hộp số tác động vào các thành bên

của miền âm thanh. Để tránh mọi sự phản xạ, âm thanh từ các miền bao phủ, chúng tôi áp dụng

điều kiện bức xạ sóng hình cầu. Với những thiết lập trên có thể tính toán để phân tích âm thanh và

xem được mức áp suất âm thanh trong vùng lân cận cũng như trên bề mặt vỏ hộp số ở các tần số

khác nhau. Để hiểu hơn về bức xạ tiếng ồn chúng ta có thể tạo ra một biểu đồ ở vùng xa hơn trong

mặt phẳng khác nhau ở các tần số khác nhau.

Hình 8. Áp lực âm thanh ở bề mặt của hộp số

Hình 9. Mức áp suất âm thanh ở vùng xa 1 m ở trục tọa độ oxy

228

Sau khi nhận thấy độ lớn áp suất âm thanh vùng bên ngoài, điều đó nhận biết được sự thay đổi

của áp suất âm thanh với các tần số và vị trí khác nhau. Với mục đích trên, 2 microphone được đặt

ở các vị trí khác nhau.

Bảng 2. Thông số vị trí lắp đặt

Micro

Nơi lắp đặt

Vị trí

1

Phần bên của hộp số

Phần trên của hộp số

(0,-0.5m,0)

(0,0,0.75m)

2

Các vị trí của microphone được xác định tại các điểm nút thông số trên và thu được kết quả, và có

thể thay đổi được các thông số đặc tính kết cấu hay vị trí đặt microphone tại mọi thời điểm bất kỳ.

Hình 10. Biểu đồ tần suất của độ lớn áp suất tại các vị trí của 2 microphone

Biểu đồ phản ánh ứng suất tại các vị trí microphone cho thấy vấn đề về độ ồn, dao động cần cải

thiện trong quá trình gia công, chế tạo.

4 KHẢO SÁT HỘP SỐ TRÊN TOYOTA INNOVA 2.0 2007

Hình 11. Hình ảnh: (a) xe Toyota innova 2007, và (b) hộp số sàn G58 Toyota Innova

229

4.1 Quá trình đo kiểm

Hình 12. Quá trình đo kiểm kích thước các chi tiết

4.2 Quá trình tính toán

Xác định tỷ số truyền của các tay số:

Bảng 3. Giá trị thông số của xe

Khối lượng xe

1755 (Kg)

183 (Nm)

Momen xoắn cực đại

Tốc độ lớn nhất của xe

Thông số lốp xe

170 (Km/h)

215/65R16

Tỷ số truyền tay số 1: theo công thức ‚Điều kiện k o‛.

[4] với

: Bán kính làm việc trung bình của bánh xe (m); = λ= 293,62 (m).

: Bán kính thiết kế của bánh xe, với = 621,4 (mm) => = 310,7 (mm).

λ = 0,945 hệ số kể đến sự biến dạng của lốp.

: Tỷ số truyền của truyền lực chính (

)

Với θ là hệ số vòng quay động cơ, chọn θ = 30.

Thay số vào, ta có: = 3,5.

i_pc: Tỷ số truyền của hộp số phụ.



_max: Hệ số cản chuyển động lớn nhất.

f = 0,015 (đường bê tông).

I = tg



= tg15⁰;



là độ dốc thường sử dụng để ô tô vượt qua ở tay số 1 (ta chọn



là 15⁰).

Chọn



_max= (f+i )_Max= 0,283.



_tl: Hiệu suất truyền lực. Chọn _tl= 0,93.

230

Ta có:

G

.

r

_bx._max

 ₁.i₀.i_pcM_e

t

i_{h 1}

 2,44

max

Theo công thức điều kiện bám:

M_e

. ₁.i_o.i_pc.

_maxi_h

tl

F_kmax≤ m_i.G_b. =>



m_i.G_b.

r_bx

Hệ số bám φ = 0.8 (loại đường thông dụng).

là hệ số phân bố tải trọng lên các bánh xe chủ động (chọn m = 1,2 do xe có cầu sau chủ động).

G_b

.

r

..m_i

1,2.17550.0,8.0,29362.0,8

183.0,93.3,5

bx



 6,64

i



h

1

M

.i_pc.i_o.

e

max

tl

Vậy 2,44 ≤ i_h1≤ 6,64; Chọn tỷ số truyền i_h1= 3,93.

(nk )

1

n

i_hk



^1i_h

n - số cấp của hộp số; k - số thứ tự của số truyền.

Thay số ta có:

+ i_h1= 3,93 + i_h2= 2,49 +i_h3= 1,57 + i_h4= 1

Tỷ số truyền của số lùi được chọn trong khoảng i_L= (1,2 - 1,3)i_h1.[3]; Chọn i_L= 4,716.

Tính toán các kích thước cơ bản của hộp số:

Tính sơ bộ khoảng cách giữa các trục (A):

Hình 13. Khoảng cách A giữa các trục

1/3

A = K_a.(M_emax

)

trong đó:

K_alà hệ số kinh nghiệm, đối với xe du lịch K_a= 13 -16; K_a= 16.

Qua đó, A = 85,16 (mm) và làm tròn A = 85 (mm).

Chọn mô-đun của bánh răng: m.

m_n= (0,02 - 0,04). A = 1,7 =>m_n 2 (mm).

Sơ bộ số răng tổng cộng của cặp bánh răng luôn ăn khớp.

231

Hình 14. Sơ đồ tính toán số răng của các bánh răng hộp số 3 trục

Với 1 là trục sơ cấp, 2 là trục trung gian, 3 là trục thứ cấp.

Z_a, Z’_alà cặp bánh răng luôn ăn khớp.

Z₁, Z’₁; Z₂, Z’₂; Z₃, Z’₃tương đương số 1, 2, 3.

Xác định số răng của cặp bánh răng luôn ăn khớp:

– Số lượng răng Z_abằng răng chủ động của cặp bánh răng luôn luôn ăn khớp chọn theo điều

kiện không cắt chân răng. (Z_a≥ 13 ) chọn Z_a= 32.

– Số lượng răng Z_a’ của bánh răng bị động của cặp bánh răng luôn luôn ăn khớp được xác

định theo công thức sau:

m Z



Z ^'





a

A





Z_a^' 47

2.cos



Làm tròn số răng sẽ thay đổi A.

Công thức tính như sau:

m Z



Z_a^'





2.79

a

A



 84,13 (mm)

2.cos



2.0,939

Z_a^'

Z_a

Ta tính được tỷ số truyền của cặp bánh răng luôn ăn khớp: i_a



 1,46

i_hn

i_a

Tỷ số truyền của các cặp bánh răng được gài ở các số truyền khác nhau của hộp số là: i_gn



trong đó:

i_gn: Tỷ số truyền của các cặp bánh răng được gài ở số truyền thứ n (n = 1 4).

Thay số lần lượt ta có:

3,93

1,46

2,49

1,46

1,57

1,46

i_{g 1}

 2,69 i_{g 2}

 1,7 i_{g 3}

 1,07

Chọn tỷ số truyền số lùi là i_gl= 4,716.

232

4.716

1,46

Ta có :

i_gL



 3,23

Tính toán số răng chủ động

Số răng của các cặp bánh răng dẫn động gài số khi khoảng cách trục A không đổi được tính như

2.

A

.cos



)

sau:

Z _gi



m

(1i_gi

Thay số ta được:

Vậy ta chọn:

2.

A

Z_g₁ 13,3 Z_g₂ 23,8 Z_g₃ 34,6 Z _gL



 30,9

m

(1i_g

)

1

Z_{g 1} 1 Z_{g 2}2 Z_{g 3} 3 Z_gL 3

Số răng của các bánh bị động trên trục thứ cấp theo công thức:

Z_g^'_i



Z_gi.i_gi

Z_g^'₁ 34,55

Z_g^'₂ 35,15

chọn Z _g^'₁ 35

chọn Z_g^'₂ 35

Z_g^'₃ 32,64

chọn Z_g^'₃ 33

Vậy tỷ số truyền của hộp số được tính lại là:

Z _g^'_i

Z_a^'

i_hn



.

Z_aZ _gi

Thay số ta được:

4.3 Bản vẽ 2D

i_h1 3,95; i_h22,14; i_h3 1,38; i_{h 4} 1;

i_hl 4.716

Hình 15. Bản vẽ chi tiết trên Autocad

233

4.4 Bản vẽ 3D

Hình 16. Bảng vẽ 3D trên phần SolidWorks

Ưu điểm: Mô phỏng chi tiết kết cấu hộp số thông quá các phần mềm thiết kế, các tính toán các

thông số trong quá trình thiết kế và chế tạo hộp số, phân tích ảnh hưởng về tiếng ồn, độ rung của

hộp số trong quá trình vận hành.

Ứng dụng: Sử dụng vào việc giảng dạy, giúp sinh viên có cái nhìn khách quan về hộp số. Từ đó

làm nền tảng cho các kết cấu chi tiết khác.

5 KẾT LUẬN

Đề tài nghiên cứu giúp chúng ta biết được cấu tạo, hoạt động tổng quát cũng như tên gọi và chức

năng của các chi tết trong hộp sốc dọc, hiểu rõ hơn về ưu nhược điểm của nó và thấy được các ứng

dụng rộng rãi của nó.

Đóng góp thêm một nguồn tài liệu hữu ích cho công tác giảng dạy của các trường cao đẳng, đại

học cũng như quá trình tìm tòi học hỏi của các bạn sinh viên. Là mấu chốt quan trọng cho việc

nghiên cứu, phát triển nghành công nghiệp ô tô Việt Nam từng bước tối ưu và hoàn thiện.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]

Nguyễn Văn Nhanh, Nguyễn Phụ Thượng Lưu, Đỗ Nhật Trường. Giáo trình Kết cấu ô tô,

HUTECH.

[2]

[3]

[4]

Nguyễn Phụ Thượng Lưu. Giáo trình Kiểm định và chuẩn đoán trên ô tô, HUTECH.

Tài liệu tính toán thiết kế ô tô - Đặng Quý, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.

https://www.comsol.com/blogs/how-to-model-gearbox-vibration-and-noise-in-comsol-

multiphysics/

234