Ứng dụng phần mềm Catia V5 thiết kế hộp số cơ khí trên ô tô

ISSN 2354-0575
Khoa học & Công nghệ - Số 24/ Tháng 12 – 2019 Jornal of Science and technology36|
 ISSN 2354-0575 
Khoa học & Công nghệ - Số 24/ Tháng 12 – 2019 Jornal of Science and technology 45 
ỨNG DỤNG PHẦN MỀM CATIA V5 THIẾT KẾ HỘP SỐ CƠ KHÍ TRÊN Ô TÔ 
Bùi Hà Trung, Phạm Văn Hải, Nguyễn Văn Huỳnh 
Khoa Cơ khí Động lực - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 
Ngày tòa soạn nhận được bài báo: 14/09/2019 
Ngày phản biện đánh giá và sửa chữa: 15/10/2019 
Ngày bài báo được duyệt đăng: 25/10/2019 
Tóm tắt 
 Với sự phát triển mạnh mẽ về khoa học kỹ thuật thì việc ứng dụng khoa học kỹ thuật vào thực tiễn 
sản xuất là xu hướng tất yếu. Trong lĩnh vực Cơ khí Động lực, việc tính toán thiết kế là một trong những 
khâu quan trọng nhất. Do vậy việc ứng dụng các phần mềm vào trong thiết kế tính toán ô tô là cần thiết, 
nó sẽ làm tăng độ chính xác thiết kế, giảm thời gian tính toán, từ đó nâng cao hiệu suất công việc. Bài 
báo trình bày cơ sở tính toán thiết kế hộp số cơ khí trên ô tô và áp dụng cơ sở tính toán này để tính toán 
hộp số cơ khí trên xe khách với sự trợ giúp của phần mềm Catia V5. Không chỉ hỗ trợ tính toán cho ra 
kết quả nhanh và chính xác, phần mềm còn hỗ trợ xây dựng bản vẽ thiết kế các chi tiết và mô phỏng lắp 
ráp hộp số cơ khí thể hiện ở dạng 3D hết sức trực quan. 
Từ khóa: Hộp số cơ khí, Hệ thống truyền lực cơ khí. 
1. Đặt vấn đề 
 Nội địa hóa là chiến lược phát triển của 
ngành công nghệ ô tô nói chung cũng như của các 
nhà máy sản xuất lắp ráp ô tô trong nước. Chỉ có 
nội địa hóa thì mới nâng cao được khả năng cạnh 
tranh về thị trường cũng như cạnh tranh về công 
nghệ với các doanh nghiệp nước ngoài, đồng thời 
thúc đẩy mạnh mẽ nền công nghiệp ô tô trong 
nước cũng như các ngành công nghiệp phụ trợ 
khác. Một trong những bước đầu tiên để nội địa 
hóa ngành công nghiệp ô tô chính là quá trình tính 
toán thiết kế, để thuận lợi cho quá trình này thì 
việc sử dụng các phần mềm chuyên dụng trong 
thiết kế mô phỏng là cần thiết và mang lại hiệu 
quả cao. Trong ô tô thì hộp số là cụm chi tiết có 
vai trò rất quan trọng, nó làm thay đổi mô men 
kéo truyền từ động cơ tới bánh xe chủ động thông 
qua việc lựa chọn các tay số đồng thời làm cho ô 
tô thực hiện được chuyển động lùi và có thể ngắt 
dòng truyền công suất từ động cơ tới bánh xe chủ 
động một cách lâu dài. Bài báo trình bày một cách 
căn bản về phương pháp tính toán thiết kế hộp số 
cơ khí 5 cấp khi có ứng dụng phần mềm thiết kế 
Catia V5. 
2. Phương pháp tính toán thiết kế hộp số cơ 
khí 
 Kết cấu của hộp số cơ khí cơ bản gồm các 
cụm chi tiết chính: Trục sơ cấp, trục trung gian 
(có thể không có tùy theo loại hộp số), trục thứ 
cấp, trục số lùi, các cặp bánh răng số, đồng tốc, cơ 
cấu ra vào số và vỏ hộp số. 
2.1. Tính toán tỷ số truyền hộp số 
a. Tỷ số truyền của tay số 1 của hộp số. 
Tỷ số truyền của tay số 1 hộp số được tính theo 
công thức. 
tpe
b
hI
tcpe
b
iiM
rmG
i
iiiM
Gr


 
0max0
max . 
[2.1] 
Trong đó: 
max: Hệ số cản tổng cộng của mặt đường cực 
đại. 
G: Trọng lượng toàn bộ của ô tô. 
G : Trọng lượng bám. 
rb: Bán kính làm việc trung bình của bánh xe. 
m: Hệ số phân bố tải trọng. 
 : Hệ số bám mặt đường. 
Me; Memax: Mô men xoắn và mô men xoắn cực 
đại của động cơ. 
ip: Tỷ số truyền hộp số phụ. 
io: Tỷ số truyền của truyền lực chính. 
ic: Tỷ số truyền của truyền lực cuối. 
t: Hiệu suất của hệ thống truyền lực. 
b. Tỷ số truyền các tay số trung gian. 
Tỷ số truyền của các tay số trung gian của hộp số 
được tính theo công thức. 
ISSN 2354-0575
Khoa học & Công nghệ - Số 24/ Tháng 12 – 2019 Jornal of Science and technology |37
ISSN 2354-0575 
46 Khoa học & Công nghệ - Số 24/ Tháng 12 – 2019 Jornal of Science and technology 
1
1
 n knhhk ii 
[2.2] 
Trong đó: 
n: Số tay số của hộp số. 
k: Tay số thứ k của hộp số. 
ih1: Tỷ số truyền tay số 1 của hộp số. 
Dựa trên bộ thông số tham khảo của dòng xe 
khách 29 chỗ tính toán và đưa ra tỷ số truyền của 
các tay số như sau: 
Bảng 2.1: Tỷ số truyền các tay số của hộ số 5 
cấp. 
ih1 ih2 ih3 ih4 ih5 
5.3300 3.5078 2.3086 1.5194 1.0000 
c. Xây dựng đường đặc tính kéo của ô tô. 
 Với bộ thông số tính toán dựa trên xe tham 
khảo là xe khách 29 chỗ ngồi cũng như tỷ số 
truyền của các tay số tiến hành xây dựng đường 
đặc tính kéo của xe như hình 2.1 
Hình 2.1: Đồ thị đặc tính kéo của xe 
2.2. Tính toán hộp số 
a. Tính sơ bộ khoảng cách trục. 
Khoảng cách trục của hộp số tính sơ bộ theo công 
thức. 
3
max. eaw Mka 
[2.3] 
Trong đó: 
Memax: Mô men xoắn cực đại của động cơ 
ka: Hệ số kinh nghiệm, với xe lắp động cơ 
diesel chọn ka=20.5 
Từ đó tính được khoảng cách trục sơ bộ là: 
)(148 mmaw 
b. Chọn mô đun bánh răng. 
 Trong hộp số tính toán sử dụng các cặp bánh 
răng ăn khớp là bánh răng trụ răng thẳng và bánh 
răng trụ răng nghiêng. 
 Việc chọ mô đun bánh răng phụ thuộc vào mô 
men cực đại ở trục thứ cấp. Ở đây ta chọn mn=3.5. 
(Tra theo đồ thị hình 7 trong sách tính toán và 
thiết kế ô tô). 
c. Xác định số răng của các bánh răng. 
- Tính số răng bánh chủ động 
+ Bánh răng nghiêng theo công thức: 
)1.(
cos..2
gk
w
gk im
a
z
 [2.4] 
Trong đó: 
aw: Khoảng cách trục 
: Góc nghiêng răng 
m: Mô đun bánh răng 
ign: Tỷ số truyền của cặp bánh răng số 
a
k
gk i
ii [2.5] 
ik: Tỷ số truyền tay số thứ k của hộp số 
ia: Tỷ số truyền cặp bánh răng luôn ăn khớp. 
+ Bánh răng thẳng theo công thức: 
)1.(
.2
gk
w
gk im
a
z
 [2.6] 
- Tính số răng bánh bị động theo công thức: 
 gkgkgk izz .
' [2.7] 
d. Tính chính xác khoảng cách trục. 
- Với bánh răng trụ răng nghiêng: 
cos.2
).( 'gkgk
w
zzm
a
 [2.8] 
- Với bánh răng trụ răng thẳng: 
2
).( 'gkgk
w
zzm
a
 [2.9] 
2.3. Xác định các thông số hình học của bánh 
răng 
 Việc xác định các thông số hình học của từng 
cặp bánh răng được tính toán và lập thành các 
bảng, ở đây chỉ đưa ra thông số hình học của một 
cặp bánh răng điển hình. 
ISSN 2354-0575
Khoa học & Công nghệ - Số 24/ Tháng 12 – 2019 Jornal of Science and technology38|
 ISSN 2354-0575 
Khoa học & Công nghệ - Số 24/ Tháng 12 – 2019 Jornal of Science and technology 47 
Bảng 2.2: Thông số của cặp bánh răng luôn 
ăn khớp. 
TT Tên gọi Kí hiệu Thông số 
1 Tỷ số truyền 
i 
a
a
a z
zi
'
2 Mô đun pháp mn mn=3.5 
3 Bước pháp 
tuyến tn tn= . mn 
4 Góc nghiêng 
răng   = 30
0 
5 Hướng răng 
6 Mô đun mặt 
đầu ms 
cos
nm
sm 
7 Bước mặt đầu ts ts= . ms 
8 Đường kính 
vòng chia d 
da=ms.Za 
da’=ms.Za’ 
9 Đường kính 
vòng đỉnh Dd 
Dda=da+2.mn 
Dda’=da’+2.mn 
10 Đường kính 
vòng chân Dc 
Dca=da-2,5.mn 
Dca’=da’-2,5mn 
11 Chiều cao 
răng h h = 2,25. mn 
12 Chiều cao 
đỉnh răng h’ h’=mn 
13 Chiều cao 
chân răng h’’ h’’=1,25.m 
14 Bước răng Pt Pt=da.𝜋𝜋/z 
15 Chiều dày 
răng S S=0.5Pt 
16 Khe hở răng s s=0.5Pt 
17 Khoảng cách 
trục 𝑎𝑎𝑤𝑤 𝑎𝑎𝑤𝑤=149,5mm 
18 Chiều rọng 
vành răng B B=(7,08,6).mn 
19 Góc ăn khớp = 0 =200 
3. Ứng dụng phần mềm catia vào thiết kế hộp 
số cơ khí của ô tô 
3.1. Giới thiệu phần mềm 
 Phần mềm Catia V5 có rất nhiều giao diện 
phục vụ việc thiết kế và tính toán, các giao diện 
này có mối liên kết với nhau rất chặt chẽ để hỗ trợ 
nhau trong quá trình thiết kế tính toán. 
* Giao diện Part Design 
 Giao diện Part Design sẽ thực hiện vẽ tất cả 
các chi tiết dạng khối từ các biên dạng (profile) 
dạng 2D bất kỳ. 
Hình 3.1: Giao diện Part Design 
* Giao diện Sketch 
Giao diện Sketch sẽ thực hiện vẽ tất cả các biên 
dạng (profile) dạng 2D. 
* Giao diện lắp ghép Asembly Design 
 Giao diện Assembly Design sẽ thực hiện lắp 
ghép các chi tiết cũng như các cụm chi tiết để tạo 
lên bản vẽ hoàn chỉnh. Từ đó có thể xuất bản vẽ 
kỹ thuật, mô phỏng động lực học hệ thống. 
* Giao diện kiểm nghiệm bền 
 Thực hiện tính toán kiểm nghiệm bền chi tiết, 
cụm chi tiết của cơ cấu hay hệ thống. Ngoài ra 
phần mềm còn có rất nhiều các giao diện khác 
như: Mô phỏng chuyển động, chế tạo khuôn, gia 
công cơ khí, thiết kế bề mặt, xuất bản vẽ 2D,  
3.2. Thiết kế các chi tiết và lắp ghép hoàn thiện 
hộp số cơ khí. 
a. Các chi tiết điển hình của hộp số cơ khí 
 Thông số tham khảo lấy theo bộ thông số của 
dòng xe khách 29 chỗ. Từ đó tính toán ra các 
thông số kết cấu cũng như các thông số hình học 
của hộp số thiết kế. 
 Từ các thông số này thực hiện thiết kế các chi 
tiết của hộp số trên phần mềm Catia. Dưới đây là 
một số chi tiết điển hình: 
Hình 3.2: Cặp bánh răng luôn ăn khớp 
ISSN 2354-0575
Khoa học & Công nghệ - Số 24/ Tháng 12 – 2019 Jornal of Science and technology |39
ISSN 2354-0575 
48 Khoa học & Công nghệ - Số 24/ Tháng 12 – 2019 Jornal of Science and technology 
Hình 3.3: Cặp bánh răng số 1 
Hình 3.4: Bánh răng số lùi 
Hình 3.5: Bộ đồng tốc số 1 và số 2 
b. Lắp ghép hộp số cơ khí 
Sau khi thiết kế xong các chi tiết của hộp số cơ 
khí, sử dụng giao diện Assembly Design thực hiện 
lắp ghép cụm hộp số cơ khí. 
Hình 3.6: Hình ảnh các cặp bánh răng số 
Hình 3.7: Hình ảnh cắt bổ hộp số cơ khí sau khi lắp 
ghép hoàn thiện 
3.3. Tính toán kiểm nghiệm bền chi tiết điển 
hình của hộp số cơ khí. 
Do ở tay số 1 của hộp số có mô men lớn nhất do 
vậy sử dụng chi tiết bánh răng của cặp bánh răng 
số 1 để kiểm nghiệm bền. 
Vật liệu chế tạo là thép C45 tôi cải thiện có ứng 
suất cho phép: []=7.106 (N/m2) 
Hình 3.7: Kết quả kiểm bền bánh răng 
Từ kết quả tính bền ta thấy tại vị trí ứng suất lớn 
nhất của bánh răng khi ăn khớp là: =5,98.106 
(N/m2) < []. Do vậy bánh răng đủ bền. 
4. Kết luận 
 Bài báo đã trình bày việc ứng dụng phần 
mềm thiết kế 3D vào trong thiết kế hộp số cơ khí 
trên ô tô. Việc ứng dụng phần mềm vào tính toán 
thiết kế là cần thiết và nó phù hợp với xu hướng 
phát triển của ngành Cơ khí Động lực nói riêng và 
ngành Cơ khí nói chung. Đặc biệt trong giai đoạn 
hiện nay Việt Nam đang nâng cao tỷ lệ nội địa 
hóa ngành Công nghiệp ô tô. Kết quả nghiên cứu 
có thể ứng dụng phục vụ công tác đào tạo cho 
sinh viên ngành Cơ khí Động lực và ứng dụng 
trong thực tế chế tạo của ngành công nghiệp ô tô 
Việt Nam. 
ISSN 2354-0575
Khoa học & Công nghệ - Số 24/ Tháng 12 – 2019 Jornal of Science and technology40|
 ISSN 2354-0575 
Khoa học & Công nghệ - Số 24/ Tháng 12 – 2019 Jornal of Science and technology 49 
5. Lời cảm ơn 
 Nhóm tác giả xin cảm ơn đề tài nghiên cứu 
khoa học cấp trường năm 2019 có mã số 
UTEHY.L.2019.16 đã hỗ trợ hoàn thành bài báo 
này. 
Tài liệu tham khảo 
[1]. Nguyễn Hữu Cẩn, Phan Đình Kiên, Thiết kế và tính toán ôtô máy kéo, NXB Đại học và THCN Hà 
Nội, 1987. 
[2]. PGS. TS Nguyễn Khắc Trai, Cơ sở thiết kế ôtô, NXB Giao thông vận tải, 2006. 
[3]. Prof. Dr. Georg Rill. (2005), Vehicle Dynamics, FH Regensburg, University of Applied Sciences. 
[4]. Tài liệu phần mềm Catia V5. 
APPLICATION CATIA V5 SOFTWARE TO DESIGNED MECHANICAL GEARBOX 
ON AUTOMOBILE 
ABSTRACT 
 With strong development of science and technology, the application of science and technology into 
actual production is the inevitable trend. In the field of Automotive Technology, the design calculations is 
one of the most important stage. Therefore, the application of software in automotive design calculation 
is required, it will increase not only accuracy of designing but also reducing computation time, thereby 
improving work efficiency. This study presents a computational facility designed mechanical gearbox on 
automobile and apply this calculation to calculate the mechanical gearbox in Mini Bus with the help of 
Catia V5 software. Not only supporting calculations for the fast and accurate results, the software also 
supports the construction drawings design details and assembly simulation mechanical gearbox shown in 
3D very intuitive. 
Keywords: Mechanical gearbox, Manual Transaxle.