Tiểu luận môn Truyền động công suất - Đề tài: Phân tích động học Cơ cấu hành tinh kiểu Wilson độc lập trong hộp số tự động

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI CƠ SỞ 2

KHOA CƠ KHÍ

BỘ MÔN KỸ THUẬT MÁY

----------------

THIẾT KẾ MÔN HỌC

TRUYỀN ĐỘNG CÔNG SUẤT

Phân tích động học Cơ cấu hành tinh kiểu Wilson độc lập trong

hộp số tự động

Đề tài:

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN : TS.NGUYỄN HỮU CHÍ

SINH VIÊN THỰC HIỆN :

LỚP

: CƠ ĐIỆN TỬ-K53

NHÓM

: 05

TP.HCM - 2015

Thiết kế môn học

TRUYỀN ĐỘNG CÔNG SUẤT

Nhóm 5

Tên và tóm tắt yêu cầu, nội dung bài tập lớn: Phân tích động học Cơ cấu hành

tinh kiểu Wilson độc lập trong hộp số tự động.

Nội dung của bản thuyết minh, các yêu cầu chính:

1. Tổng quan về điều khiển hộp số tự động và ưu nhược điểm của hộp số

hành tinh

SV: Đới Xuân Quốc

2. Cấu tạo, sơ đồ và nguyên lý làm việc của hộp số hành tinh

SV: Phạm Văn Quỳnh

3. Các khả năng làm việc của hộp số hành tinh

SV: Nguyễn Hoài Sơn

4. Đánh giá và so sánh về mặt động học hai loại hộp số hành tinh thường gặp

5. Kết luận và đánh giá.

Phần 4+5: SV Trần Đình Thắng & Trần Hồng Thiện

Thiết kế môn học

TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN HỘP SỐ TỰ ĐỘNG VÀ ƯU NHƯỢC ĐIỂM

CỦA HỘP SỐ HÀNH TINH

I. Giới thiệu chung

1. Khái quát

Trên xe sử dụng hộp số thường thì lái xe phải thường xuyên nhận biết tải và

tốc độ động cơ để chuyển số một cách phù hợp.

Khi sử dụng hộp số tự động những sự nhận biết như vậy của người lái xe là

không cần thiết. Việc chuyển đến vị trí số thích hợp nhất được thực hiện

một cách tự động theo tải động cơ và theo tốc độ xe.

Với các xe có hộp số tự động thì người lái xe không cần phải suy tính khi

nào cần lên số hoặc xuống số. Các bánh răng tự động chuyển số tùy thuộc

vào tốc độ xe và mức độ bàn đạp ga.

SVTH: Đới Xuân Quốc

3

Thiết kế môn học

Một hộp số mà trong đó việc chuyển số bánh răng được điều khiển bằng một

ECU (Bộ điều khiển điện tử) được gọi là ECT – Hộp số điều khiển điện tử,

một hộp số không sử dụng ECU được gọi là hộp số tự động thuần thủy lực.

Hiện nay hầu hết các xe đều sử dụng ECT. Đối với một số kiểu xe thì phương

thức chuyển số có thể được chọn tùy theo ý muốn của lái xe và điều kiện

đường đi. Cách này giúp cho việc tiết kiệm nhiên liệu, tính năng và vận hành

xe được tốt hơn.

2. Lịch sử phát triển

Ngay từ những năm 1990, ý tưởng về một loại hộp số tự động chuyển số đã

được các kỹ sư hàng hải Đức nghiên cứu chế tạo. Đến năm 1938, hộp số tự

động đầu tiên ra đời khi hãng GM giới thiệu chiếc Oldsmobile được trang bị

hộp số tự động. Việc điều khiển ô tô được đơn giản hóa bởi không còn bàn

đạp ly hợp. Tuy nhiên do chế tạo phức tạp và khó bảo dưỡng, sữa chữa nên

nó ít được sử dụng.

Đến những năm 70 hộp số tự động thực sự hồi sinh khi hàng loạt hãng ô tô

cho ra các loại xe mới với hộp số tự động đi kèm. Từ đó đến nay hộp số tự

động đã phát triển không ngừng và dần thay thế cho hộp số thường. Khi mới

ra đời, hộp số tự động là loại có cấp và được điều khiển hoàn toàn bằng thủy

lực. Để chính xác hóa thời điểm chuyển số và để tăng tính an toàn khi sử

dụng, hộp số có cấp điều khiển bằng điện tử (ECT) ra đời.

Vẫn chưa hài lòng với các cấp tỷ số truyền của ECT, các nhà sản xuất ô tô

đã nghiên cứu, chế tạo thành công một loại hộp số tự động với vô số cấp tỷ

số truyền (hộp số tự động vô cấp) vào những năm của cuối thế kỷ XX cụ thể

như sau:

• Hộp số tự động (HSTĐ), theo công bố của tài liệu công nghiệp ô tô

CHLB Đức ra đời năm 1934 tại hãng Chysler. Ban đầu HSTĐ sử

dụng ly hợp thủy lực và hộp số hành tinh, điều khiển hoàn toàn bằng

van con trượt thủy lực, sau đó chuyển sang dùng biến momen thủy

lực đến ngày nay (tên gọi ngày nay dùng là AT).

• Tiếp sau đó là hãng Zil (Liên xô cũ 1949) và các hãng Tây Âu khác

(Đức, Pháp, Thụy sỹ). Phần lớn các HSTĐ trong thời kỳ này dùng

hộp số hành tinh 3, 4 cấp trên cơ sở của bộ truyền hành tinh 2 bậc tự

do kiểu Wilson, kết cấu AT.

• Sau những năm 1960, HSTĐ dùng trên ô tô tải, ô tô bus với momen

thủy lực và hộp số cơ khí có cặp bánh răng ăn khớp ngoài, kết cấu

AT.

SVTH: Đới Xuân Quốc

4

Thiết kế môn học

• Sau năm 1978 chuyển sang loại HSTĐ kiểu EAT (điều khiển chuyển

số bằng thủy lực điện tử), loại này ngày nay đang sử dụng.

• Một loại HSTĐ khác là hộp số vô cấp sử dụng bộ truyền đai kim loại

(CVT) với các hệ thống điều khiển chuyển số bằng thủy lực điện tử

(nó cũng là một dạng HSTĐ).

• Ngày nay con người đã và đang chế tạo các loại truyền động thông

minh, cho phép chuyển số theo thói quen lái xe (thay đổi tốc độ động

cơ bằng chân ga) và tình huống mặt đường, HSTĐ có 9, 10 cấp, …

Hệ thống truyền lực sử dụng HSTĐ được gọi là hệ thống truyền lực

cơ khí thủy lực điện tử, là lĩnh vực có nhiều ứng dụng của kỹ thuật

cao, phát triển rất nhanh. Chẳng hạn gần đây xuất hiện loại hộp số có

khả năng làm việc theo hai phương pháp chuyển số: bằng tay hay tự

động tùy thuộc vào ý thích của người sử dụng.

SVTH: Đới Xuân Quốc

5

Thiết kế môn học

Ngoài ra, hiện nay để đáp ứng nhu cầu khách hàng và tăng tính an toàn

khi sử dụng, các nhà chế tạo cho ra đời loại hộp số điều khiển bằng điện

tử có thêm chức năng sang số bằng cần như hộp số thường.

Ở nước ta, hộp số tự động đã xuất hiện từ những năm 1990 trên các xe

nhập về từ Mỹ và châu Âu. Tuy nhiên do khả năng công nghệ còn hạn

chế, việc bảo dưỡng và sữa chữa rất khó khăn nên vẫn còn ít sử dụng.

Hiện nay, cùng với những tiến bộ của khoa học kỹ thuật, công nghệ chế

tạo hộp số tự động cũng được hoàn chỉnh nên hộp số tự động đã khẳng

định được tính ưu việt của nó và dần thay thế cho hộp số thường.

SVTH: Đới Xuân Quốc

6

Thiết kế môn học

3. Phân loại hộp số tự động

Có nhiều cách để phân loại hộp số tự động

3.1 Phân loại theo tỉ số truyền

• Hộp số tự động vô cấp: Là loại hộp số có khả năng thay đổi tự động,

liên tục tỉ số truyền nhờ sự thay đổi bán kính quay của các puly.

• Hộp số tự động có cấp: Khác với hộp số vô cấp, hộp số tự động có

cấp cho phép thay đổi tỉ số truyền theo các cấp số nhờ các bộ truyền

bánh răng.

3.2 Phân loại theo cách điều khiển

Theo cách điều khiển có thể chia HSTĐ thành hai loại, chúng khác nhau

về hệ thống sử dụng để điều khiển chuyển số và thời điểm khóa biến mô.

Một loại là điều khiển hoàn toàn bằng thủy lực, loại kia là loại điều khiển

SVTH: Đới Xuân Quốc

7

Thiết kế môn học

điện tử (ECT), nó cũng sử dụng số liệu trong ECU để điều khiển nhưng

có thêm chức năng chẩn đoán và dự phòng.

• Hộp số điều khiển hoàn toàn bằng thủy lực hoạt động bởi sự biến đổi

một cách cơ khí tốc độ của xe thành áp suất ly tâm và độ mở bướm

ga thành áp suất bướm ga rồi dùng các áp suất thủy lực này để điều

khiển hoạt động của các ly hợp và phanh trong cụm bánh răng hành

tinh, do đó điều khiển thời điểm lên xuống số. Nó được gọi là

phương pháp điều khiển thủy lực.

• Hộp số điều khiển điện tử ECT, các cảm biến phát hiện tốc độ xe và

độ mở bướm ga biến chúng thành tín hiệu điện và gửi về bộ điều

khiển điện tử (ECU). ECU sau đó điều khiển hoạt động các ly hợp,

phanh trên cơ sở những tín hiệu này thông qua các van và hệ thống

thủy lực. Vì vậy điều khiển thời điểm chuyển số.

o Loại điều khiển điện tử kết hợp thủy lực: Loại này sử dụng

ECU – ECT để điều khển hộp số thông qua các tín hiệu điều

khiển điện tử.

➢ Sơ đồ tín hiệu điều khiển: Tín hiệu điện của các cảm biến

(cảm biến tốc độ, cảm biến vị trí chân ga, …) và tín hiệu

thủy lực từ bàn đạp ga (qua cáp chân ga  bướm ga 

cảm biến vị trí bướm ga)  ECU động cơ  ECT – ECU

 van điện từ  các cần sang số  bộ bánh răng hành

tinh và bộ biến mô.

o Loại điều khiển hoàn toàn thủy lực: Loại này sử dụng cáp

bướm ga và các tín hiệu điện tử điều khiển để điều khiển hộp

số tự động.

➢ Sơ đồ tín hiệu điều khiển: Bàn đạp ga  cáp dây ga  cáp

bướm ga  van bướm ga, van ly tâm  van sang số  bộ

truyền bánh răng hành tinh và bộ biến mô.

SVTH: Đới Xuân Quốc

8

Thiết kế môn học

o Hộp số điều khiển bằng điện tử: Sử dụng áp suất thủy lực để tự

động chuyển số theo tín hiệu điều khiển của ECU. ECU điều

khiển các van điện từ theo tình trạng của động cơ và của xe do

các bộ cảm biến xác định, từ đó điều khiển áp suất dầu thủy

lực.

➢ Sơ đồ tín hiệu điều khiển: Tín hiệu từ các cảm biến và từ bộ

điều khiển thủy lực  ECU động cơ và ECT  tín hiệu

điện đến các van điện từ  bộ biến mô và các bánh răng

hành tinh.

3.3 Phân loại theo cấp số truyền

Có nhiều loại hộp số tự động, hiện nay thông dụng nhất là loại 4, 5, 6 cấp

số, một số loại xe được trang bị hộp số tự động 8, 9 cấp.

3.4 Phân loại theo cách bố trí trên xe

• Loại FF (Front – Front: động cơ đặt trước – cầu trước chủ động): Loại

này được thiết kế gọn do chúng được bố trí ở khoang động cơ.

• Loại ER (Front – Rear: động cơ đặt trước – cầu sau chủ động): Loại

này có bộ truyền lực cuối cùng (vi sai) lắp ở bên ngoài nên nó dài hơn.

SVTH: Đới Xuân Quốc

9

Thiết kế môn học

4. Chức năng của hộp số tự động

Về cơ bản hộp số tự động có chức năng như một hộp số thường. Tuy nhiên,

hộp số tự động cho phép đơn giản hóa việc điều khiển hộp số, quá trình

chuyển số êm dịu, không cần ngắt đường truyền công suất từ động cơ xuống

khi sang số. Hộp số tự động tự chọn tỉ số truyền phù hợp với điều kiện hoạt

động của ô tô, do đó tạo điều kiện sử dụng gần như tối ưu công suất động

cơ.

Hộp số tự động có những chức năng cơ bản sau:

• Tạo ra các cấp tỉ số truyền phù hợp nhằm thay đổi momen xoắn từ động

cơ đến các bánh xe chủ động để phù hợp với momen cản luôn thay đổi

và nhằm tận dụng tối đa công suất của động cơ.

• Giúp xe thay đổi chiều chuyển động.

• Đảm bảo cho xe dừng tại chỗ mà không cần tắt máy hoặc tách ly hợp.

Ngoài ra, hộp số tự động điều khiển điện tử (ECT) còn có các chức năng an

toàn. Nếu có hư hỏng xảy ra trong hệ thống khi đang lái xe, ECT sẽ hoạt

động ở chế độ dự phòng, cho phép xe tiếp tục hoạt động ở chế độ đã được

định trước trong một thời gian ngắn nhằm tránh nguy hiểm.

5. Ưu, nhược điểm của hộp số hành tinh

5.1 Ưu điểm:

 Giảm mệt mỏi cho lái xe bằng cách loại bỏ các thao tác cắt ly hợp và

thường xuyên phải chuyển số.

 Chuyển số liên tục không cắt dòng lực từ động cơ.

 Thời hạn phục vụ dài hơn, lực truyền đồng thời qua một số cặp bánh răng

ăn khớp, ứng suất trên răng nhỏ. Ăn khớp trong nên đường kính vòng

tròn ăn khớp lớn. Có khả năng tự triệt tiêu lực hướng trục.

 Giảm độ ồn khi làm việc.

 Kích thước nhỏ gọn.

 Hiệu suất làm việc cao, vì các dòng năng lượng có thể là song song, ma

sát sinh ra tiêu hao năng lượng chủ yếu là do chuyển động tương đối còn

không chịu ảnh hưởng của chuyển động theo, khâu quyết định là chọn

phương án sơ đồ bố trí.

 Cho tỷ số truyền cao, nhưng kích thước không lớn.

5.2 Nhược điểm:

 Công nghệ chế tạo đòi hỏi chính xác cao: trục lồng, bánh răng ăn khớp

nhiều vị trí.

SVTH: Đới Xuân Quốc

10

Thiết kế môn học

 Kết cấu phức tạp, nhiều cụm lồng, trục lồng phanh, ly hợp khóa.

 Lực ly tâm trên các bánh răng hành tinh lớn.

 Nếu dùng nhiều ly hợp và phanh có thể nâng cao tổn hao công suất khi

chuyển số, hiệu suất sẽ giảm. Các nhược điểm này sẽ dần khắc phục khi

chọn tối ưu sơ đồ cơ cấu và công nghệ chế tạo máy phát triển.

SVTH: Đới Xuân Quốc

11

Thiết kế môn học

CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC HỘP SỐ HÀNH TINH

I. CẤU TẠO CỦA HỘP SỐ HÀNH TINH.

• Các bánh răng trong bộ truyền bánh răng hành tinh có 3 loại:

bánh răng bao, bánh răng hành tinh, bánh răng mặt trời và cần

dẫn.

• Cần dẫn nối với trục trung tâm của mỗi bánh răng hành tinh và

làm cho các bánh răng hành tinh xoay chung quanh. Với bộ các

bánh răng nối với nhau kiểu này thì các bánh răng hành tinh

giống như các hành tinh quay xung quanh mặt trời, và do đó

chúng được gọi là các bánh răng hành tinh.

• Thông thường nhiều bánh răng hành tinh được phối hợp với

nhau trong bộ truyền bánh răng hành tinh.

SVTH: Phạm Văn Quỳnh

12

Thiết kế môn học

II. NGUYÊN LÝ VẬN HÀNH CỦA HỘP SỐ HÀNH TINH.

• Bằng cách thay đổi vị trí đầu vào, đầu ra và các phần tử cố định

ta có thể giảm tốc, đảo chiều, nối trực tiếp và tăng tốc.

1. Đảo chiều.

➢ Đầu vào: bánh răng bao

➢ Đầu ra: cần dẫn

➢ Cố định: bánh răng mặt trời

➢ Khi bánh răng mặt trời bị cố định thì chỉ có bánh răng

hành tinh quay và vận động chung quanh. Do đó trục đầu

ra chỉ giảm tốc độ so với trục đầu vào bằng chuyển động

quay của bánh răng hành tinh. Độ dài của mũi tên chỉ tốc

độ quay và chiều rộng của mũi tên chỉ momen. Mũi tên

càng dài thì tốc độ quay càng lớn và mũi tên càng rộng thì

momen càng lớn.

SVTH: Phạm Văn Quỳnh

13

Thiết kế môn học

2. Giảm tốc.

➢ Đầu vào: bánh răng bao

➢ Đầu ra: cần dẫn

➢ Cố định: bánh răng mặt trời

➢ Khi bánh răng mặt trời cố định thì chỉ có bánh răng hành

tinh quay và vận động chung quanh. Do đó trục đầu ra chỉ

giảm tốc độ so với trục đầu vào bằng chuyển động quay

của các bánh răng hành tinh. Độ dài của mũi tên chỉ tốc độ

quay và chiều rộng của mũi tên chỉ momen. Mũi tên càng

dài thì tốc độ quay càng lớn và mũi tên càng rộng thì

momen càng lớn.

SVTH: Phạm Văn Quỳnh

14

Thiết kế môn học

3. Nối trực tiếp (truyền thẳng).

➢ Đầu vào: bánh răng mặt trời, bánh răng bao

➢ Đầu ra: cần dẫn

➢ Do bánh răng bao và bánh răng mặt trời quay cùng nhau

với cùng một tốc độ nên cần dẫn cũng quay với cùng tốc

độ đó.

SVTH: Phạm Văn Quỳnh

15

Thiết kế môn học

4. Tăng tốc.

➢ Đầu vào: cần dẫn

➢ Đầu ra: bánh răng bao

➢ Cố định: bánh răng mặt trời

➢ Khi cần dẫn quay theo chiều kim đồng hồ thì bánh răng

hành tinh chuyển động xung quanh bánh răng mặt trời theo

chiều kim đồng hồ. Do đó bánh răng bao tăng tốc trên cơ

sở số răng trên bánh răng bao và bánh răng mặt trời.

SVTH: Phạm Văn Quỳnh

16

Thiết kế môn học

5. Các phanh (B1, B2, B3).

➢ Các phanh này được chia làm 2 loại theo kiểu phần tử cố

định phanh gồm có: kiểu dải và kiểu nhiều đĩa ướt. Kiểu

dải được dùng cho phanh B1 và kiểu nhiều đĩa ướt cho

phanh B2, B3. Ngoài ra trong một số hộp số tự động, hệ

thống nhiều đĩa ướt còn được sử dụng cho phanh B1.

➢ Phanh kiểu dải B1: dải phanh được quấn vòng lên đường

kính ngoài của trống phanh. Một đầu của dải phanh được

hãm chặt vào vỏ hộp số bằng 1 chốt, còn đầu kia tiếp xúc

với piston phanh qua cần đẩy piston chuyển động bằng áp

suất thủy lực. Piston phanh có thể chuyển động trên cần

đẩy piston nhờ việc nén các lò xo.

SVTH: Phạm Văn Quỳnh

17

Thiết kế môn học

Hình 5.1 cấu tạo dải phanh B1

➢ Khi áp suất thủy lực tác động lên piston thì piston chuyển

động sang trái trong xilanh và nén các lò xo. Cần đẩy

piston chuyển động sang bên trái cùng với piston và đẩy

một đầu của dải phanh. Do đầu kia của dải phanh bị cố

định vào vỏ hộp số nên đường kính của dải phanh giảm

xuống và dải phanh xiết vào trống làm cho nó không

chuyển động được. Tại thời điểm này, sinh ra một lực ma

sát lớn giữa dải phanh và trống phanh làm cho trống phanh

hoặc một phần tử của bộ truyền bánh răng hành tinh không

thể chuyển động được.

➢ Khi dầu áp suất được dẫn ra khỏi xilanh thì piston bị đẩy

ngược lại do lực của lò xo ngoài và trống được dải phanh

nhả ra. Ngoài ra, lò xo trong có hai chức năng: để hấp thu

phản lực từ trống phanh và để giảm va đập sinh ra khi dải

phanh xiết trống phanh.

SVTH: Phạm Văn Quỳnh

18

Thiết kế môn học

Hình 5.2 sơ đồ nguyên lý hoạt động của phanh dải B1

➢ Phanh kiểu nhiều đĩa ướt (B2, B3):

SVTH: Phạm Văn Quỳnh

19

Thiết kế môn học

Hình 5.3 cấu tạo phanh dải nhiều đĩa ướt B2, B3

➢ Phanh B2 hoạt động thông qua khớp một chiều số 1 để

ngăn không cho các bánh răng mặt trời trước và sau

quay ngược chiều kim đồng hồ. Các đĩa ma sát được

gài bằng then hoa vào vòng lăn ngoài của khớp một

chiều số 1 và các đĩa thép được cố định vào vỏ hộp số.

Vòng lăn trong của khớp một chiều số 1 được thiết kế

sao cho khi quay ngược chiều kim đồng hồ thì nó sẽ bị

khóa, nhưng khi quay theo chiều kim đồng hồ thì nó có

thể xoay tự do. Mục đích của phanh B3 là ngăn không

cho cần dẫn sau quay. Moay-ơ B3 và cần dẫn sau được

bố trí liền một cụm và quay cùng nhau.

Hình 5.4 sơ đồ nguyên lý hoạt động của phanh nhiều đĩa ướt

➢ Khi áp suất thủy lực tác động piston sẽ dịch chuyển và

ép các đĩa thép ma sát tiếp xúc với nhau. Do đó tạo nên

một lực ma sát lớn giữa mỗi đĩa thép và đĩa ma sát. Kết

quả là cần dẫn hoặc bánh răng mặt trời bị khóa vào vỏ

hộp số. Khi dầu có áp suất được xả ra khỏi xilanh thì

SVTH: Phạm Văn Quỳnh

20