GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
Tính cấp thiết của đề tài
Trong quá trình học tập môn Kết cấu ô tô, chúng tôi nhận thấy rằng nội dung về hộp số tự động (HSTĐ) trong giáo trình còn khô khan, gây khó khăn cho sinh viên trong việc tiếp thu kiến thức Do đó, cần thiết phải có giải pháp kịp thời nhằm giúp sinh viên dễ hình dung và hiểu rõ hơn về nguyên lý hoạt động của HSTĐ trên ô tô.
Không có cơ hội để tiếp xúc thực tế với HSTĐ khiến cho học phần càng trở nên khó khăn
Phương pháp giảng dạy tại trường không có nhiều đổi mới, khiến các buổi học trờ nên nhàm chán và không thể tiếp thu được nhiều thông tin
1.1.2 Tầm quan trọng của đề tài Đề tài đem lại một phương pháp để giái quyết các vấn đề làm cho việc học tập học phần kết cấu ô tô trở nên sinh động hơn Đem lại nhiều hứng thú hơn so với các trang sách khô khan
Là một cách truyền tải thông tin hiệu quả đên với sinh viên
1.1.3 Thực trạng giảng dạy và học tập học phần kết cấu ô tô
Học phần kết cấu ô tô tại đại học Hutech cung cấp cho sinh viên cái nhìn tổng quan về các bộ phận cấu thành một chiếc ô tô hoàn chỉnh.
Ví dụ như: Hệ thống treo, hệ thống phanh, hệ thống khung gầm, động cơ
Một trong những phần khó khăn nhất đối với sinh viên trong học phần kết cấu ô tô là bài học về hộp số tự động Kiến thức trong bài học này chủ yếu được truyền đạt qua chữ viết và hình ảnh 2D, dẫn đến cảm giác khô khan và khó khăn trong việc hình dung thực tế hoạt động của hộp số.
Giảng viên thường gặp khó khăn trong việc truyền đạt kiến thức cho sinh viên do thiếu các tài liệu hỗ trợ như video, hình ảnh hoặc mô hình thực tế để thực hiện mô phỏng hiệu quả.
Sinh viên cảm thấy không có hứng thú đối với môn học càng khiến cho môn học trở nên khó khăn hơn
1.1.4 Một số phương pháp nâng cao chất lượng giảng dạy và học tập học phần 1.1.4.1 Một số giải pháp được áp dụng hiện nay:
Chạy mô phỏng bằng các phần mềm mô phỏng
Quan sát mô hình thực tế tại xưởng thực hành
Hình 1 1: Giảng dạy bằng trình chiếu
Hình 1 2: Giảng dạy bằng mô phỏng lại thiết bị liên quan đến bài học
Hình 1 3: Giảng dạy tại xưởng thực hành
1.1.4.2 Ưu nhược điểm đối với từng phương pháp
* Trình chiếu video Ưu điểm:
Tìm kiếm nguồn video đơn giản từ Internet
Giáo viên có thể nâng cao hiệu quả giảng dạy bằng cách chuẩn bị bài giảng sẵn trên máy tính và trình chiếu cho sinh viên, học sinh theo dõi dễ dàng và nhanh chóng.
Sử dụng phần mềm hỗ trợ như PowerPoint giúp bài giảng trở nên thú vị và thu hút hơn Giảng viên có thể tích hợp video và file âm thanh, thay vì chỉ dựa vào lời nói, đồng thời giảm bớt các bước chuẩn bị phức tạp như máy chiếu hay đài cassette trong phương pháp dạy truyền thống.
Tiết kiệm thời gian cho cả giảng viên và người học
Sinh viên không thể tiếp cận thực tế với hộp số thật do chỉ được mô phỏng, dẫn đến việc dễ bị sao lãng và làm việc khác khi đang xem video.
Yêu cầu cơ sở vật chất tương đối cao đối với việc trình chiếu
* Quan sát thực tế tại xưởng thực hành đại học Hutech Ưu điểm:
Mô hình tại xưởng là hộp số thật nên sinh viên có thể tiếp cận gần nhất với hộp số thực tế
Quan sát dễ dàng các chi tiết của hộp số
Do số lượng hộp số hạn chế so với số sinh viên trong lớp, việc quan sát trở nên chen chúc và không đủ thời gian để mỗi sinh viên có thể tiếp cận đầy đủ.
Thời điểm xuống xưởng quan sát hộp số có thể trễ hơn so với bài học trên lớp dễ gây tính mất liên kết trong bài học
Do là mô hình tĩnh nên việc nghiên cứu hoạt động của hộp số cũng khó khăn
Nhằm khắc phục những bất cập và hạn chế của các phương pháp hiện tại, chúng tôi đã đề xuất một giải pháp xây dựng mô hình thu gọn gần gũi với hộp số thực tế Giải pháp này sẽ giúp giải quyết hiệu quả các vấn đề đang gặp phải.
Chủ động trong thời gian quan sát mô hình
Nhỏ gọn nên có thể mang đến từng lớp học có học phần Kết cấu ô tô, giải quyết vấn đề khối lượng và kích cỡ của hộp số thật
Hiểu rõ về hộp số thông qua việc theo dõi chi tiết và hoạt động thực tế của nó giúp các bạn học có cái nhìn tổng quát và sâu sắc hơn về chức năng cũng như cấu tạo của hộp số.
Tình hình nghiên cứu
Đề án “Phân tích động học cơ cấu hành tinh kiểu Simpson trong hộp số tự động” của lớp Cơ điện tử-K53, Đại học Giao thông Vận tải cơ sở 2, đã cung cấp cái nhìn tổng quan về cấu tạo và các chi tiết của hệ thống truyền động tự động.
Đề án cung cấp so sánh giữa các cơ cấu hành tinh phổ biến trong hộp số, bao gồm CCHT Wilson, CCHT Simpson và CCHT Ravigneaux Ngoài ra, nó cũng nhấn mạnh các thông số quan trọng của hộp số như tỉ số truyền, động học và động lực học của các cơ cấu này.
Luận văn "Hộp số tự động" của Khoa Cơ khí Động lực, Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vinh, tập trung vào nghiên cứu quy trình chế tạo hộp số tự động Bài viết phân tích cấu tạo của từng bộ phận trong hộp số tự động và trình bày các bước thiết kế hộp số một cách chi tiết.
Mục tiêu đề tài
Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu và thiết kế bản vẽ mô hình hộp số tự động trên ô tô, từ đó tạo điều kiện cho việc thi công và chế tạo mô hình vật lý Bản vẽ này sẽ hỗ trợ giảng viên và sinh viên trong việc giảng dạy và học tập môn Kết cấu ô tô, giúp nâng cao hiệu quả học tập.
Nội dung đề tài
Nội dung chính của đề tài bao gồm quy trình tìm hiểu và phân tích để lựa chọn các phương án giải quyết, cùng với việc thu thập và đo đạc các thông số cần thiết Bên cạnh đó, việc tính toán các số liệu quan trọng cũng được thực hiện Cuối cùng, tiến hành thiết kế các bản vẽ 2D, 3D và mô phỏng hệ thống điều khiển.
Phương pháp nghiên cứu
1.5.1 Phương pháp nghiên cứu phần lý thuyết
Nghiên cứu tài liệu từ trường và hãng về hệ thống truyền động (HSTĐ) là bước quan trọng để thu thập thông tin và số liệu cần thiết Qua đó, bạn có thể hiểu rõ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của HSTĐ, từ đó tạo ra các bản vẽ 3D chính xác và chi tiết.
1.5.2 Phương pháp nghiên cứu phần thiết kế, mô phỏng
Phần mềm Solidworks là công cụ quan trọng trong nghiên cứu và thiết kế 3D các chi tiết cơ khí, bao gồm bánh răng và nhiều bộ phận khác Nó cho phép người dùng gán vật liệu và tính toán độ bền cho các chi tiết hộp số, đồng thời mô phỏng các chuyển động và động lực học một cách chính xác.
Các phần mềm hỗ trợ mô phỏng thiết kế mô hình hộp số bao gồm Keyshot, giúp nâng cao chất lượng hình ảnh, và Adobe Premiere, hỗ trợ sắp xếp nội dung bài học một cách có trật tự.
Kết quả đạt được của đề tài
Sau khi hoàn thành đề tài thi nhóm chúng em đạt được các kết quả:
Thiết kế một bản vẽ mô hình hệ thống truyền động trên ô tô là bước quan trọng, giúp tiến hành thi công chế tạo mô hình vật lý hệ thống truyền động bằng công nghệ in 3D.
Tính toán các thông số kỹ thuật của hệ thống truyền động (HSTĐ), bao gồm tỷ số truyền, và thiết kế các bản vẽ mô phỏng 3D chi tiết cấu tạo của HSTĐ.
Có các video mô phỏng được nguyên lý hoạt động của hộp số ở từng cấp số.
Kết cấu của đề tài
Kết cấu đề tài bao gồm 4 chương:
Chương 1: Giới thiệu đề tài
Chương 2: Tính toán, thiết kế
Chương 3: Mô phỏng, thi công, lắp ráp và thực nghiệm Chương 4: Đánh giá kết quả và kết luận
TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ
Chọn loại hộp số thiết kế
2.1.1 Phương án chọn hộp số Để chọn ra một loại hộp số mẫu để thi công thiết kế thì có 2 phương án:
Để thiết kế bản vẽ hộp số, cần trực tiếp đến các xưởng và gara sửa chữa ô tô để xin phép tham khảo các hộp số đã sử dụng Sau đó, tiến hành nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý hoạt động và thu thập các thông số cần thiết để thực hiện thiết kế.
Tìm hiểu tài liệu từ hãng về các loại hộp số HSTĐ và lựa chọn một mẫu cụ thể Sau đó, tham khảo các thông số kỹ thuật cần thiết để thiết kế bản vẽ cho hộp số đó.
Do tình hình phức tạp của đại dịch Covid-19 tại Việt Nam, việc đến trực tiếp các xưởng và gara sửa chữa ô tô để tham khảo hộp số không khả thi Vì vậy, nhóm đã quyết định lựa chọn phương án tìm kiếm tài liệu từ hãng để tham khảo và tiến hành thiết kế bản vẽ HSTĐ.
Trên thị trường hiện nay, các ô tô số tự động chủ yếu sử dụng 2 loại HSTĐ là HSTĐ vô cấp (CVT) và HSTĐ có cấp (AT)
HSTĐ vô cấp (CVT) là loại hộp số tự động, cho phép thay đổi liên tục tỷ số truyền thông qua việc điều chỉnh bán kính quay của các puly.
Hộp số tự động vô cấp (CVT) và hộp số tự động có cấp (AT) là hai loại hộp số phổ biến trong xe hơi Khác với CVT, hộp số AT cho phép thay đổi tỉ số truyền qua các cấp số nhờ vào các bộ truyền bánh răng, mang lại trải nghiệm lái xe linh hoạt và hiệu quả hơn.
Hình 2 2: Hộp số tự động có cấp (AT)
Sau khi nghiên cứu các loại hộp số tự động, nhóm chúng tôi đã quyết định chọn kiểu hộp số tự động có cấp AT Lý do lựa chọn này là vì hộp số AT mang lại nhiều ưu điểm vượt trội và được sử dụng rộng rãi hơn so với hộp số vô cấp CVT.
Hộp số cụ thể mà nhóm em chọn là hộp số tự động Allison 1000 được sản xuất từ công ty Allison Transmission
Hộp số Allison 1000 là loại hộp số tự động (HSTĐ) với 6 cấp số, được thiết kế từ 3 bộ bánh răng hành tinh kết hợp, mang lại khả năng chuyển đổi công suất linh hoạt Nhờ vào cấu trúc này, hộp số Allison 1000 giúp xe hoạt động êm ái và mượt mà hơn so với các loại hộp số 3 cấp hay 4 cấp.
The Allison 1000 transmission is commonly utilized in various pickup and medium-duty truck models, including the Chevrolet Silverado, Chevrolet Kodiak, Hummer H1, and Chevrolet GMC B series.
Lựa chọn phương án xây dựng mô hình
2.2.1 Sản phẩm thiết kế và yêu cầu về phần mềm thiết kế:
Sản phẩm thiết kế: đồ án thiết kế và mô phỏng HSTĐ bao gồm 6 cấp tiến và 1 cấp lùi
Yêu cầu về phần mềm thiết kế: Đòi hỏi đặc tính mô phỏng cao Độ chính xác cao
Có thể mô phỏng vật liệu Đo đạc được sức bền vật liệu
Có thể quan sát trực quan dưới các góc nhìn khác nhau 2D, 3D
Mô phỏng được quá trình hoặc nguyên lí hoạt động
2.2.2 Lựa chọn phần mềm thiết kế:
Phần mềm tối ưu nhất: Solidworks 2018
Solidworks 2018 Solidworks là phần mềm được phát triển bởi hãng Dassault Systèmes Solidworks Corp, một công ty con của Dassault Systèmes
Solidworks, ra mắt lần đầu vào năm 1998, đã chính thức có mặt tại Việt Nam với phiên bản 2003 Phần mềm này chuyên thiết kế mô hình 3D, sử dụng phương pháp tiếp cận tham số để tạo ra các mô hình và lắp ráp hiệu quả.
Solidworks, cùng với Catia từ Dassault Systèmes, nổi bật với nhiều ưu điểm, khiến nó trở thành lựa chọn hàng đầu cho việc thiết kế và mô phỏng đồ án tốt nghiệp Phần mềm này cung cấp giao diện thân thiện, tính năng mạnh mẽ và khả năng tương tác cao, giúp sinh viên dễ dàng thực hiện các ý tưởng sáng tạo của mình Solidworks không chỉ hỗ trợ thiết kế 3D mà còn cho phép mô phỏng và phân tích, đảm bảo tính chính xác và hiệu quả trong quá trình phát triển sản phẩm.
Giao diện đẹp dễ sử dụng và trực quan
Cấu hình không quá nặng, thuận tiện cho việc thiết kế và mô phỏng
Có thể gán ghép vật liệu và đo đạc sức bền và độ bền của mô hình mô phỏng
Có độ chính xác cao khi thiết kế và dựng mô hình
Có thể mô phỏng quá trình và nguyên lí hoạt động của mô hình HSTĐ
Có độ ổn định cao và ít xảy ra lỗi trong quá trình hoạt động
Có hệ sinh thái rộng, có thể liên kết với các module khác hoặc các phần mềm khác để tối ưu hiệu quả công việc
Ngoài ra, có thể sử dụng thêm công cụ module solidsimulation và keyshot là 2 phần mềm hỗ trợ cho công việc thiết kế và mô phỏng mô hình HSTĐ
Mô phỏng rắn được sử dụng để đo lường, gán vật liệu và tính toán các thông số cũng như sức bền của mô hình Nó cho phép đo đạc tỷ số truyền, các cấp số và số vòng quay, từ đó cung cấp thông tin quan trọng cho quá trình thiết kế và phân tích kỹ thuật.
Phần mềm Keyshot được sử dụng để xử lý hình ảnh trong mô phỏng nguyên lý hoạt động, giúp nâng cao chất lượng video mô phỏng Ngoài ra, chúng tôi còn sử dụng các phần mềm hỗ trợ khác như Adobe Premiere và Illustrator để trình bày và xử lý hình ảnh hiệu quả hơn.
Lên kế hoạch và quy trình cho thiết kế và mô phỏng hộp số:
Tìm hiểu về hộp số tự động 6 cấp số (cấu tạo, nguyên lí hoạt động…)
Tìm tài liệu thông qua thư viện hoặc các tài liệu tham khảo do giáo viên hướng dẫn đề xuất, tài liệu hãng
Lên phương án thiết kế, lựa chọn phần mềm thiết kế
Khám phá cách sử dụng phần mềm thiết kế để đo đạc thông số của hệ thống truyền động (HSTĐ) thông qua tài liệu tham khảo hoặc hộp số thực tế Tìm hiểu cấu tạo và lập bản vẽ chi tiết cho HSTĐ để đảm bảo độ chính xác và hiệu quả trong quá trình thiết kế.
Thiết kế và mô hình hóa dưới dạng 3D các chi tiết
Kiểm tra thông số chi tiết 3D, đạt hay không các tiêu chuẩn đã đề ra dưới dạng 2D
Sử dụng môi trường assembly solidworks để tiến hành lắp ráp các chi tiết với nhau
Sau khi hoàn thành mô hình 3D, đảm bảo các chi tiết không được thiếu sót
Gán ghép vật liệu và mô phỏng sức bền của các chi tiết hộp số, bao gồm độ cong vênh và khả năng chịu lực của bánh răng hành tinh và bánh răng mặt trời Đồng thời, tiến hành đo đạc tỉ số truyền để xác định xem có đạt yêu cầu hay không.
Mô phỏng nguyên lí hoạt động của hộp số
Sử dụng phần mềm hỗ trợ Keyshot để kết xuất đồ họa giúp hình ảnh trở nên trực quan và sinh động hơn Ngoài ra, phần mềm như Adobe Premiere cũng hỗ trợ quá trình này, mang lại hiệu quả cao trong việc chỉnh sửa và trình bày hình ảnh.
Hình 2 6: Bản vẽ cơ cấu 2D của hộp số
Tính toán các thông số động học
2.3.1 Tính toán tỉ số truyền
CCHT kiểu Simpson bao gồm hai CCHT Wilson, với các phần tử M1, N1, H1, G1 thuộc dãy hành tinh thứ nhất và M2, N2, H2, G2 thuộc dãy hành tinh thứ hai Sự ghép nối giữa các phần tử này được thể hiện trong hình bên dưới.
- Hai bánh răng mặt trời M1 và M2 đặt trên cùng một trục quay (liên kết cứng)
- Giá hành tinh G2 liên kết cứng với bánh răng ngoại luân N1
Hình 2 7: Cơ cấu hành tinh kiểu Simpson Chú thích:
M1 và M2 là các bánh răng mặt trời, với bán kính tương ứng là rM1 và rM2 N1 và N2 là các bánh răng bao, có bán kính lần lượt là rN1 và rN2 H1 và H2 đại diện cho các bánh răng hành tinh trong hệ thống bánh răng này.
Thông số kích thước của các bánh răng: rM1 = rM2 = 62mm; rN1 = rN2 = 140mm
Hình 2 8: Nguyên lý làm việc cơ cấu hành tinh Simpson
Thay rM1 = rM2 = 62mm; rN1 = rN2 = 140mm vào công thức trên ta có:
Cách đơn giản nhất để tính tỷ số truyền là chia tốc độ quay hoặc số vòng quay của trục sơ cấp cho tốc độ quay hoặc số vòng quay của trục thứ cấp.
2.3.2 Tính toán các thông số bánh răng Đối với mô hình hộp số thì tỷ số truyền là thông số cực kì quan trọng và cần được chọn và tính toán kĩ lưỡng trước khi thiết kế mô hình 3D, tham khảo mô hình thực tế và mô phỏng lại các thông số như:
Vòng đỉnh và vòng đáy là hai thông số quan trọng trong tính toán răng Vòng đỉnh được xác định bằng đường tròn đi qua đỉnh răng, với công thức tính là da = m(Z + 2) Trong khi đó, vòng đáy là đường tròn đi qua đáy răng, được tính theo công thức da = (z - 2.5).
Vòng chia: Vòng chia là đường tròn tiếp xúc với 1 đường tròn tương ứng của bánh răng khác khi 2 bánh răng ăn khớp với nhau, công thức tính: d =m.z
Số răng: z là số răng của bánh răng : z = d/m
Bước răng P: Bước răng là độ dài cung giữa 2 profin của 2 răng kề nhau đo trên vòng chia, công thứ tính: P = m.π
Modun là thông số quan trọng nhất của bánh răng, ảnh hưởng đến tất cả các thông số khác của nó Công thức tính modun được xác định là m = P/π, với giá trị thường nằm trong khoảng từ 0,05 đến 100 mm.
Ví dụ modun tiêu chuẩn như
Chú ý: Mođun là thông số quan trọng nhất và hai bánh răng muốn ăn khớp với nhau thì Modun phải bằng nhau
Chiều cao răng là khoảng cách hướng tâm giữa vòng đỉnh và vòng đáy
Chiều cao đầu răng ha là khoảng cách hướng tâm giữa vòng đỉnh và vong chia Công thức tính: ha = m
Chiều cao chân răng hf là khoảng cách hướng tâm giữa vòng chia và vòng đáy Công thức tính: hf = 1,25m
Vậy chiều cao răng h = ha + hf = 2,25m
Chiều dày răng là độ dài cung tròn giữa 2 profin của một răng đo trên vòng tròn chia Công thức tính: St = P/2 = m/2
Chiều rộng rãnh răng là độ dài cung tròn đo trên vòng chia của một rãnh răng
Thiết kế hộp số
2.4.1 Thiết kế các bánh răng
Tạo đường sket 2D cho bề mặt chính bánh răng và sử dụng lệnh revolve xoay quanh trục chính, có đường kính 124cm và độ dày 25cm
Kí hiệu ∑ được sử dụng để liên kết các thông số, cho phép khi một thông số thay đổi, các thông số khác cũng sẽ điều chỉnh theo tỷ lệ ban đầu Điều này giúp dễ dàng tạo ra các bánh răng với kích thước và thông số khác nhau.
Hình 2 10: Dùng lệnh “Revolve” tạo khối cho bánh răng
Tiến hành vẽ bánh răng, chọn bề mặt bánh răng và tạo đường 2D để tiến hành cắt các răng, và sử dụng lệnh “Extruded cut” để cắt
Hình 2 11: Dùng lệnh “Extruded cut” để cắt tạo bánh răng
Sử dụng tiếp lệnh “Circular pattern” để nhân số lượng răng xung quanh
Hình 2 12: Tạo răng xung quanh
Hình 2 13: Bản vẽ 2D và các thông số bánh răng mặt trời
Sau khi hoàn thành việc vẽ bánh răng mặt trời, bước tiếp theo là vẽ trục của bánh răng này Để tạo trục cho bánh răng mặt trời, bạn cần sử dụng lệnh “Extruded boss” để tạo khối cho trục.
Hình 2 14: Tạo trục cho bánh răng mặt trời Tiếp tục vẽ thêm bánh răng mặt trời còn lại lên trục
Hình 2 15: Bánh răng mặt trời còn lại
Bản vẽ 2D của bánh răng mặt trời và trục được tối ưu hóa để chế tạo mô hình 3D, đảm bảo rằng các khuôn mẫu bánh răng không khác biệt so với mô hình thực tế Cụ thể, bánh răng hành tinh sẽ được thiết kế với các rãnh để lắp đặt bánh răng và bạc đạn một cách chính xác.
Vẽ các bánh răng hành tinh, cách vẽ tương tự như vẽ bánh răng mặt trời
Hình 2 17: Bánh răng hành tinh
Hình 2 18: Bản vẽ 2D và thông số của bánh răng hành tinh
Sau khi hoàn thành việc vẽ các bánh răng mặt trời và bánh răng hành tinh, bước tiếp theo là vẽ các bánh răng bao, bắt đầu từ bánh răng bao của bộ bánh răng thứ nhất.
Hình 2 20: Bản vẽ 2D và các thông số của bánh răng bao bộ bánh răng hành tinh thứ nhất
Tiếp đến là vẽ bánh răng bao của bộ bánh răng thứ hai
Hình 2 21: Bánh răng bao của bộ bánh răng thứ hai
Hình 2 22: Bản vẽ 2D và các thông số của bánh răng bao bộ bánh răng hành tinh thứ hai
Vẽ bánh răng bao của bộ bánh răng thứ ba
Hình 2 23: Bánh răng bao của bộ bánh răng thứ ba
Hình 2 24: Bản vẽ 2D và các thông số của bánh răng bao bộ bánh răng hành tinh thứ ba
2.4.2 Thiết kế trục sơ cấp và trục thứ cấp
Sau khi vẽ xong các bộ bánh răng thì chúng em bắt đầu vẽ TSC của hộp số
Hình 2 26: Bản vẽ 2D và các thông số của trục sơ cấp
Vẽ TTC bao gồm các trục của bánh răng hành tinh từ bộ bánh răng thứ nhất Các trục này được kết nối cứng với nhau, tạo thành một trục duy nhất là TTC.
Hình 2 28: Bản vẽ 2D và các thông số của trục thứ cấp 2.4.3 Thiết kế phần vỏ, đĩa ly hợp, các phần còn lại và hoàn chỉnh hộp số
Vẽ vỏ của hộp số
Hình 2 29: Vỏ hộp số được cắt đôi
Tiến hành vẽ các đĩa ly hợp
Hình 2 30: Các đĩa ly hợp
Hình 2 31: Bản vẽ 2D và các thông số đĩa ly hợp
Sau khi hoàn thành các chi tiết đơn lẻ, tiến hành import các chi tiết vào môi trường assembly để lắp ráp
Hình 2 32: Import các chi tiết vào môi trường Assembly để lắp ráp
Hình 2 33: Mô hình của hộp số sau khi được lắp ghép và tạo các mate chuyển động
Hình 2 34: Bản vẽ 2D hộp số hoàn chỉnh
Tính toán và xây dựng hệ thống điện và điều khiển
Đề tài thiết kế hộp số tự động nhằm hỗ trợ giảng dạy yêu cầu chúng em thay đổi một số bộ phận thủy lực bằng linh kiện điện tử, giúp cải thiện tính phù hợp trong quá trình thiết kế và chế tạo.
Cụ thể là nhóm em sẽ dùng động cơ điện để thay thế cho biến mô thủy lực và nam châm điện thay thế cho ly hợp thủy lực
2.5.1 Vai trò của hệ thống điện:
Hệ thống điện hoạt động như một bộ não, thu thập thông tin từ tín hiệu đầu vào và thực hiện tính toán để điều khiển các tín hiệu đầu ra, bao gồm motor điện, nam châm điện và các thiết bị như ly hợp, phanh theo từng cấp số.
Sử dụng hệ thống điều khiển arduino để điều khiển các cơ cấu phanh, cơ cấu li hợp và motor chính truyền moment quay cho TSC
Hình 2 35: Sơ đồ khối điều khiền Chú thích :
Nam châm điện 1, 2 điều khiển ly hợp momen C1, C2
Motorstep 3, 4, 5 điều khiển ly hợp phanh C3, C4, C5
Arduino Uno R3 đóng vai trò là trung tâm xử lý trong hệ thống điện điều khiển hộp số tự động Động cơ RC cung cấp mô men chính cho hộp số, và cảm biến Hall gắn trên TSC đo tốc độ vòng quay, gửi tín hiệu về Arduino để điều khiển mở và đóng các bộ ly hợp C1 đến C5 theo tốc độ vòng tua của trục sơ cấp, nhằm thay đổi cấp số Biến trở được kết nối với một cổng digital của Arduino để điều chỉnh tốc độ quay của động cơ RC Các ly hợp phanh C3, C4, C5 cũng được kết nối với Arduino thông qua driver điều khiển động cơ bước.
Giải thích nguyên lí hoạt động :
Tốc độ động cơ RC được điều chỉnh qua biến trở, với cảm biến Hall gửi tín hiệu tốc độ đến trung tâm điều khiển Arduino Arduino sẽ điều khiển việc đóng mở các công tắc rơ-le theo chương trình đã được lập trình sẵn, nhằm điều khiển các nam châm điện C1, C2 và ly hợp phanh C3, C4, C5 theo các tốc độ đã được cài đặt trước.
Khi điều chỉnh biến trở, tốc độ vòng quay của trục sơ cấp đạt 5 vòng/giây, tín hiệu từ cảm biến Hall được truyền đến trung tâm xử lý Arduino Từ đó, Arduino điều khiển ly hợp momen C1 và ly hợp phanh C5 đóng, tạo ra cấp số 1 Nếu tốc độ trục sơ cấp tăng lên 10 vòng/giây, tín hiệu tương tự sẽ điều khiển C1 và C4 đóng, dẫn đến cấp số 2.
2.5.3 Các thành phần điện bao gồm :
Arduno uno R3: là vi xử lí chính trong việc điều khiển các motor step
Hình 2 36: Arduno uno R3 Driver arduino mở rộng nano V3.0 là bord mở rộng điều khiển các motor step điều khiển các hệ thống phanh đĩa li hợp
Hình 2 37: Driver arduno mở rộng nano V3.0 Động cơ motorstep, điều khiển cơ cấu ép má phanh ly hợp
Hình 2 38: Động cơ motorstep Các nam châm điện, đóng vai trò quan trọng trong việc dẫn động moment truyền từ trục sơ cấp sang TTC
Mô phỏng cơ cấu phanh ly hợp:
Hình 2 40: Cơ cấu phanh ly hợp
Bản vẽ cơ cấu phanh ly hợp sử dụng motorstep
Hình 2 41: Bản vẽ cơ cấu phanh ly hợp sử dụng motorstep
Việc điều khiển motor step là yếu tố quan trọng để điều chỉnh hoạt động của hệ thống xilanh, giúp thực hiện chuyển động ra vào, từ đó ép các má phanh vào đĩa ly hợp một cách hiệu quả.
Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của ly hợp dẫn động moment từ TSC sang TTC bằng nam châm điện
Khi nam châm điện được cấp nguồn, nó tạo ra từ trường hút trục bánh răng mặt trời, từ đó truyền moment từ trục bánh răng tsc sang trục bánh răng mặt trời.
2.5.4 Thiết kế mạch nguồn ổn áp có điện áp ra 12V-5A có bảo vệ dòng
2.5.4.1 Lựa chọn phương pháp thiết kế
Dựa trên các tiêu chuẩn kỹ thuật của khối nguồn, chúng ta sẽ chọn phương pháp thiết kế phù hợp cho từng khối của bộ nguồn, từ đó xây dựng sơ đồ nguyên lý cho bộ nguồn.
Biến áp được sử dụng với nguồn lưới điện 220V 50HZ, có điện áp ra 12V DC 5A và công suất tối đa 60W Do đó, cần chọn một biến áp có điện áp vào 220V và điện áp ra 15V với dòng 5A.
Mạch chỉnh lưu vào bộ nguồn:
Với những ưu điểm nổi bật như điện áp ra ổn định ít nhấp nháy và điện áp ngược mà diode phải chịu thấp hơn so với phương pháp cân bằng, bộ chỉnh lưu cầu trở thành sự lựa chọn tối ưu cho các ứng dụng điện.
-Bộ lọc có nhiệm vụ san bằng điện áp một chiều dập mạch Ur thu được khối chỉnh lưu thành điện áp một chiều ít nhấp nhô hơn
Phương pháp lọc bằng tụ điện, nhờ vào tính đơn giản và chất lượng lọc cao, được áp dụng cho khối nguồn.
Khối bảo vệ dòng có vai trò quan trọng trong việc bảo vệ mạch khi dòng vào tăng cao Để tạo ra các khối bảo vệ dòng hiệu quả, chúng ta tận dụng các tính chất của thyristor, transistor và diode.
Để thiết kế mạch ổn áp với điện áp ra 12V-5A, chúng ta sử dụng IC ổn áp LM 7812, một linh kiện phổ biến LM 7812 yêu cầu điện áp vào trong khoảng 14,5V - 27V và cung cấp điện áp ra 12V với dòng ra từ 5.0 mA đến 1.0A Để đáp ứng yêu cầu dòng lớn hơn, cần bổ sung một transistor công suất để hỗ trợ.
2.5.4.2 Sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lí :
Hình 2 43: Sơ đồ khối mạch nguồn ổn áp Các tiêu chuẩn của khối nguồn bao gồm: Điện áp: 220V/15V -5A AC-50HZ Điện áp ra 12V DC
Dòng điện áp ra tải 5A
Một số đặc điểm cơ bản thông số kĩ thuật của ICLM7812 như sau:
Biến áp: sử dụng biến áp 220V/15V-5A để cung cấp nguồn mạch
Khối chỉnh lưu và lọc nguồn
Hình 2 44: Khối chỉnh lưu và lọc nguồn Khi điện áp lưới có giá trị lớn nhất Umax $0V dòng lớn nhất đi qua diode là 5A
Do đó ta lựa chọn cầu 6A Điện áp sau chỉnh lưu Ui = 15√2 -1,4 = 19,8V
Sau khi qua khối chỉnh lưu cầu thì tụ lọc cũng phải đảm bảo chịu được điện áp lớn nhất là 24V
Led 1 báo điện áp đầu vào
Nguyên lý bảo vệ dòng:
Hình 2 46: Sơ đồ nguyên lý bảo vệ dòng Gọi dòng transistor là T1 và U1, UET2, UBT2 lần lượt là điện áp trên chân E và
Ta có các trường hợp sau :
Khi Itải UET2 < UBT2
Transistor T2 khóa, khối bảo vệ chưa hoạt động
Khi Itải>Ibảo vệ -> UET2 > UBT2
Transistor T2 hoạt động khi có dòng vào kích thích thrysistor, dòng này đi qua R2 và thrysistor trở về chân mass Đồng thời, transistor T1 bị khóa, dẫn đến việc không có dòng cung cấp cho phần mạch sau khối bảo vệ, do đó bảo vệ tải và các linh kiện liên quan.
Ta chọn R3 = 0,1 Ω , công suất trở là P = 𝐼 R -> 𝑃 =2,5W
Khối điện áp lấy ra :
Hình 2 47: Khối điện áp lấy ra
Để đáp ứng yêu cầu dòng ra 5A, cần sử dụng một transistor có khả năng chịu đựng dòng lớn hơn hoặc bằng 5A Trong trường hợp này, transistor công suất Tip42C được lựa chọn để kéo dòng, vì dòng ra tối đa của LM7812 chỉ đạt 1A Điện áp đầu vào cho khối cần được xác định để lấy điện áp ra phù hợp.
Do có thêm tản nhiệt IC có khả năng cho ra dòng ra là 1,5A
Dòng IC qua transistor T3 là 3,5 A
Dùng LED 2 để báo hiệu điện áp đầu ra
MÔ PHỎNG, THI CÔNG, LẮP RÁP VÀ
3.1 Tiến hành mô phỏng chuyển động
MÔ PHỎNG, THI CÔNG, LẮP RÁP VÀ THỰC NGHIỆM
Tiến hành mô phỏng chuyển động
Sau khi hoàn thành các bản vẽ thiết kế 3D cho hộp số, chúng tôi bắt đầu tiến hành mô phỏng chuyển động của hộp số ở từng cấp số.
Tiến hành đưa mô hình vào môi trường motion để tạo chuyển động của hộp số sau khi hoàn thành mô hình 3D
Để cải thiện chất lượng hình ảnh và vật liệu cho mô phỏng, chúng tôi đã chọn sử dụng phần mềm Keyshot 10 để tạo chuyển động cho hộp số.
Tiến hành import model 3D đã tạo bằng phần mềm solidwork 2018 Đưa mô hình hộp số vào môi trường keyshot để xử lí hình ảnh
Hình 3 2: Đưa vào môi trường Keyshot
Gán vật liệu và xử lý hình ảnh là bước quan trọng trong quá trình render mô phỏng chuyển động, đặc biệt là khi lựa chọn các thông số cài đặt cho mô hình hộp số Việc này không chỉ nâng cao chất lượng hình ảnh mà còn giúp các chuyển động trở nên mượt mà hơn.
Sau khi hoàn thành các video ngắn mô phỏng cấu tạo và cấp số của hộp số, chúng tôi đã sử dụng phần mềm Adobe Premiere cùng với các công cụ hỗ trợ như Adobe Photoshop và Adobe Illustrator để chỉnh sửa video Quá trình này bao gồm việc điều chỉnh các thông số như khung hình, độ sáng, và thêm các chuyển động animation nhằm giải thích rõ ràng hơn Cuối cùng, các video được sắp xếp theo một trật tự hợp lý để dễ dàng theo dõi.
Hoàn thành các video mô phỏng hộp số
Hình 3 6: Hoàn thành video mô phỏng
Mô phỏng nguyên lý hoạt của hộp số tự động ở từng cấp số
Hình 3 7: Sơ đồ 2D cấu tạo của hộp số tự động Trong đó: C1, C2 ly hợp truyền momen cho hộp số
Bảng 3 1: Bảng hoạt động của các ly hợp phanh trên từng cấp số Các ký hiệu: Đường truyền lực Ly hợp đóng
Ly hợp C1 và C5 khi đóng sẽ truyền công suất từ TSC sang trục thứ cấp, đồng thời kích hoạt bánh răng bao bộ hành tinh thứ nhất Điều này dẫn đến việc công suất được truyền từ TSC sang bánh răng mặt trời, ảnh hưởng đến bánh răng hành tinh và cuối cùng truyền ra TTC.
Các ly hợp đóng: ly hợp C1, C4
Khi chuyển sang cấp số 2, li hợp C1 và C4 đóng lại, khiến bánh răng bao bộ bánh răng hành tinh đứng yên Bánh răng bao thứ nhất bắt đầu chuyển động, dẫn đến việc truyền công suất từ TSC sang bánh răng mặt trời Công suất được chia thành hai nhánh: một nhánh tác động lên bánh răng bao và nhánh còn lại tác động lên bánh răng mặt trời, từ đó làm cho bánh răng hành tinh hoạt động và tăng tốc độ TTC, trong khi momen giảm xuống.
Các ly hợp đóng: ly hợp C1, C3
Khi hộp số chuyển sang số 3, ly hợp C1 và C3 được đóng lại, trong khi bộ bánh răng bao thứ 3 giữ nguyên vị trí Sự chuyển động của bánh răng bao trong bộ hành tinh 1 và 2 làm tăng tốc độ của TTC, đồng thời giảm momen xoắn.
Các ly hợp đóng: ly hợp C1, C2
Ly hợp C1 và C2 đóng lại, khiến cho đường truyền công suất tác động lên bánh răng bao và bánh răng mặt trời với cùng một tốc độ Điều này dẫn đến việc công suất được bảo toàn, hay còn gọi là đường truyền thẳng, với tốc độ đầu ra bằng tốc độ đầu vào.
Các ly hợp đóng: ly hợp C2, C3
Hình 3 12: Sơ đồ nguyên lý hoạt động ở cấp số 5
Khi hộp số chuyển sang số 5, li hợp momen C2 và li hợp phanh C3 được kích hoạt, dẫn đến việc truyền công suất từ TSC sang cần dẫn của bộ bánh răng hành tinh thứ 2 Quá trình này tiếp tục truyền công suất đến bánh răng bao bộ hành tinh thứ nhất, làm tăng tốc độ của trục thứ cấp và giảm đáng kể momen xoắn.
Các ly hợp đóng: ly hợp C2, C4
Hình 3 13: Sơ đồ nguyên lý hoạt động ở cấp số 6
Khi chuyển hộp số sang cấp 6, vòng tua máy đạt mức tối đa Li hợp dẫn momen C2 vẫn đóng, trong khi li hợp phanh C3 được nhả ra và C4 đóng lại, khiến bộ bánh răng hành tinh thứ 3 quay trơn Lúc này, công suất được truyền trực tiếp từ TSC sang cần dẫn của bộ bánh răng thứ 2 Do bánh răng bao của bộ thứ 2 vẫn đóng, công suất tiếp tục được truyền từ cần dẫn 2 sang bánh răng hành tinh và bánh răng mặt trời Đồng thời, công suất cũng được truyền sang bộ bánh răng bao thứ nhất, tạo ra hai đường truyền công suất đến bánh răng bao và bánh răng mặt trời, dẫn đến tốc độ đầu ra đạt cực đại.
Các ly hợp đóng: ly hợp C3, C5
Khi vào số lùi, li hợp phanh C3 và C5 đóng lại, khiến bánh răng bao bộ 1 và 3 đứng yên trong khi bánh răng bao bộ 2 vẫn hoạt động Công suất được truyền vào bánh răng mặt trời của bộ bánh răng hành tinh thứ 3, làm cho bánh răng bao bộ thứ 2 chuyển động Do bánh răng thứ nhất đứng yên, bánh răng hành tinh thứ 2 chỉ xoay tại chỗ, dẫn đến việc bánh răng mặt trời quay ngược lại, kéo theo cần dẫn cũng quay theo chiều ngược lại.
CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ VÀ KẾT LUẬN
Các kết quả thu được
Đã hoàn thành mô phỏng lại cấu tạo và mô hình HSTĐ
Hoàn thành tính toán các thông số của hộp số
Hoàn thành quá trình mô phỏng cấu tạo và mô phỏng chuyển động của mô hình hộp số
Video mô phỏng sẽ giải thích chi tiết cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hộp số ở từng cấp số, giúp nâng cao hiệu quả giảng dạy và tạo điều kiện cho người học hiểu rõ hơn về cơ chế hoạt động của hộp số.
Đánh giá kết quả
Hoàn thành 90% yêu cầu đặt ra, tuy nhiên vẫn có một số điểm hạn chế, chưa hoàn thiện như sau:
Hạn chế về góc nhìn là một yếu điểm cực quan trọng trong quá trình mô phỏng và trình bày nguyên lí hoạt động của hộp số tự động
Các thông số thiết kế và tính toán dựa trên đơn vị tham khảo, chưa hoàn toàn chính xác 100%.
Hướng phát triển
Hướng phát triển của đề tài là dựa vào các bản vẽ, mô phỏng để thiết kế, chế tạo ra một mô hình HSTĐ bằng phương pháp in 3D
Tuy nhiên để có thể thi công chế tạo ra mô hình hộp số tự động in 3D thì vẫn cần thêm một số yêu cầu:
Mô hình hộp số bao gồm hai thành phần chính: phần cơ khí và phần điện, nhằm đảm bảo rằng mô hình hoạt động hiệu quả và chính xác theo những gì đã được mô phỏng.
Để in 3D, hãy sử dụng các file đã thiết kế và chuyển đổi định dạng từ SLDPRT sang STL trong SolidWorks, đảm bảo máy in có thể nhận diện đúng file in.
Khi in 3D, việc điều chỉnh các chi tiết 3D và tính toán dung sai là cực kỳ quan trọng Cần đảm bảo rằng các chi tiết có thể lắp ghép chính xác và hoạt động một cách trơn tru, nhẹ nhàng.
Khi thiết kế chi tiết trong in 3D, việc tính toán mật độ dày và chọn vật liệu phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo độ bền khi hoạt động Trong số các loại nhựa, ABS thường được ưa chuộng hơn PLA vì độ bền vượt trội Bên cạnh đó, cần chú ý đến việc lựa chọn thiết bị điện và thiết bị điều khiển để đảm bảo hiệu suất tối ưu cho sản phẩm.
Sử dụng xilanh điện để ép các phanh li hợp và nam châm điện trong cơ cấu li hợp truyền momen Thiết bị điều khiển được trang bị Arduino để quản lý hoạt động của các xilanh điện.
Kết Luận
Nhóm chúng em đã hoàn thành 90% mục tiêu đề ra, thiết kế các bản vẽ 2D, 3D và video mô phỏng nguyên lý hoạt động của hộp số tự động trên ô tô Điều này giúp giảng viên và sinh viên dễ dàng hơn trong việc giảng dạy và học tập, đồng thời nâng cao khả năng tiếp cận và hiểu biết về hệ thống hộp số tự động trên ô tô.
Các bản vẽ có thể dùng để thi công chế tạo ra mô hình HSTĐ bằng phương pháp in 3D.
