Thiết kế mô hình học tập hộp số sàn ô tô

ộ 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. 224 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’1 được bánh răng cố định trên trục sơ cấp Z1, 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’1 trên trục trung gian ăn khớp với bánh răng Z4 trên 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’1 trên 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 ZI trên trục thứ cấp. Từ đó, thay đổi được chiều động của ô tô. 225 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 226 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 Tốc độ động cơ 5000 [rpm] Tải mô-men xoắn 1000 [N/m] Tay số 5 5 227 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. 228 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 229 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 (0,-0.5m,0) 2 Phần trên của hộp số (0,0,0.75m) 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 230 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) Momen xoắn cực đại 183 (Nm) Tốc độ lớn nhất của xe 170 (Km/h) Thông số lốp xe 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. ipc: 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. 231 Ta có: max 1 1 0 max . . 2,44 . . bx h t pc e G r i i i M   Theo công thức điều kiện bám: Fkmax ≤ mi.Gb. =>  tlmax 1 .. . . . .e h o pc i bx b M m i G i i r 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). . . . . . . 1 max b i pc o i i i G r m bx h Me tl     1,2.17550.0,8.0,29362.0,8 6,64 183.0,93.3,5 Vậy 2,44 ≤ ih1 ≤ 6,64; Chọn tỷ số truyền ih1 = 3,93. ( )1 1 n kn hk h i i  n - số cấp của hộp số; k - số thứ tự của số truyền. Thay số ta có: + ih1 = 3,93 + ih2 = 2,49 +ih3 = 1,57 + ih4= 1 Tỷ số truyền của số lùi được chọn trong khoảng iL = (1,2 - 1,3)ih1. [3]; Chọn iL= 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 A = Ka.(Memax) 1/3 trong đó: Ka là hệ số kinh nghiệm, đối với xe du lịch Ka= 13 -16; Ka= 16. Qua đó, A = 85,16 (mm) và làm tròn A = 85 (mm). Chọn mô-đun của bánh răng: m. mn = (0,02 - 0,04). A = 1,7 =>mn  2 (mm). Sơ bộ số răng tổng cộng của cặp bánh răng luôn ăn khớp. 232 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. Za, Z’a là cặp bánh răng luôn ăn khớp. Z1, Z’1; Z2, Z’2; Z3, Z’3 tương đương số 1, 2, 3. Xác định số răng của cặp bánh răng luôn ăn khớp: – Số lượng răng Za bằng răng chủ động của cặp bánh răng luôn luôn ăn khớp chọn theo điều kiện không cắt chân răng. (Za ≥ 13 ) chọn Za= 32. – Số lượng răng Za’ của bánh răng bị động của cặp bánh răng luôn luôn ăn khớp được xác định theo công thức sau:     ' ' 47 2.cos a a a m Z Z A Z Làm tròn số răng sẽ thay đổi A. Công thức tính như sau:  ' 2.79 84,13 (mm) 2.cos 2.0,939 a a m Z Z A     Ta tính được tỷ số truyền của cặp bánh răng luôn ăn khớp: ' 1,46a a a Z Z i  Tỷ số truyền của các cặp bánh răng được gài ở các số truyền khác nhau của hộp số là: hn gn a i i i  trong đó: ign: Tỷ số truyền của các cặp bánh răng được gài ở số truyền thứ n (n = 1 4). Thay số lần lượt ta có: 1 2 3 3,93 2,49 1,57 2,69 1,7 1,07 1,46 1,46 1,46g g g i i i      Chọn tỷ số truyền số lùi là igl = 4,716. 233 Ta có : 4.716 3,23 1,46gL i   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 sau: 2. .cos (1 )gi gi A Z m i   Thay số ta được: 1 2 3 1 2. 13,3 23,8 34,6 30,9 (1 )g g g gL g A Z Z Z Z m i      Vậy ta chọn: 1 2 3 1 2 3 3 g g g gL Z Z Z Z    Số răng của các bánh bị động trên trục thứ cấp theo công thức: ' . gi gi gi Z Z i ' 1 34,55 g Z  chọn ' 1 35 g Z  ' 3 32,64 g Z  ' 2 35,15 g Z  chọn ' 2 35 g Z  chọn ' 3 33 g Z  Vậy tỷ số truyền của hộp số được tính lại là: '' . gia hn a gi ZZ i Z Z  Thay số ta được: 1 2 3 4 3,95; 2,14; 1,38; 1; 4.716 h h h h hl i i i i i     4.3 Bản vẽ 2D Hình 15. Bản vẽ chi tiết trên Autocad 234 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] Nguyễn Phụ Thượng Lưu. Giáo trình Kiểm định và chuẩn đoán trên ô tô, HUTECH. [3] Tài liệu tính toán thiết kế ô tô - Đặng Quý, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM. [4] https://www.comsol.com/blogs/how-to-model-gearbox-vibration-and-noise-in-comsol- multiphysics/