Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành công nghiệp chế tạo ô tô trên thế giới và tại Việt Nam trong những năm gần đây ghi nhận tốc độ phát triển nhanh chóng, kéo theo sự ra đời của nhiều dòng phương tiện hiện đại. Các cụm chi tiết và bộ phận trong hệ thống truyền lực ô tô liên tục được cải tiến, ứng dụng các dạng vật liệu mới nhẹ hơn, bền hơn nhằm nâng cao hiệu suất truyền động và đáp ứng đòi hỏi ngày càng cao của người sử dụng cũng như các ngành kinh tế. Thực tiễn này đặt ra yêu cầu đối với kỹ sư cơ khí ô tô phải nắm vững lý thuyết chuyên môn, phương pháp tính toán thiết kế kỹ thuật để đáp ứng yêu cầu thực tế sản xuất và vận hành phương tiện. Xuất phát từ bối cảnh đó, nhóm sinh viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô đã thực hiện đề tài "Tính toán thiết kế cụm ly hợp ô tô" trong khuôn khổ học phần Đồ án Tính toán thiết kế ô tô tại Viện Kỹ thuật HUTECH dưới sự hướng dẫn của giảng viên Huỳnh Quang Thảo.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể như sau:

  1. Tìm hiểu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các hệ thống ly hợp trang bị trên ô tô thương mại.
  2. Tính toán xác định các thông số kỹ thuật cơ bản và kiểm nghiệm độ bền cụm ly hợp cùng hệ thống điều khiển.

Nhiệm vụ nghiên cứu theo phiếu giao đề tài bao gồm các nội dung chính:

  1. Trình bày tổng quan cơ sở lý thuyết hệ thống ly hợp, phân tích kết cấu trên ít nhất ba dòng xe hoặc ba hãng xe khác nhau.
  2. Tính toán cụm ly hợp: xác định mô-men ma sát cần truyền, kích thước cơ bản của ly hợp, lựa chọn số lượng đĩa bị động (số đôi bề mặt ma sát).
  3. Tính kiểm tra điều kiện làm việc của ly hợp: xác định công trượt, công trượt riêng và kiểm tra nhiệt độ nung nóng của các chi tiết.
  4. Tính toán lò xo ép hình trụ hoặc hình nón (xác định lực ép cần thiết, độ cứng lò xo, lực lớn nhất tác dụng lên một lò xo, kích thước hình học của lò xo).
  5. Tính toán sức bền một số chi tiết chủ yếu: đinh tán đĩa bị động, lò xo ép, trục ly hợp, moay-ơ đĩa bị động và các thông số của lò xo giảm chấn.
  6. Tính toán thiết kế hệ thống dẫn động ly hợp: xác định sơ đồ dẫn động, hành trình bàn đạp ly hợp, lực cần thiết của người lái, tính toán kích thước xy-lanh chính và xy-lanh công tác.
  7. Xây dựng bản vẽ kỹ thuật 2D, mô hình 3D, mô phỏng quá trình lắp ráp và hoạt động của hệ thống; ứng dụng phần mềm CarSim để mô phỏng ảnh hưởng của cụm ly hợp đến động lực học ô tô.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Cụm ly hợp ma sát khô một đĩa, sử dụng lò xo đĩa và hệ dẫn động điều khiển bằng thủy lực trang bị trên xe ô tô thể thao đa dụng (SUV) 7 chỗ.
  • Phạm vi không gian: Thực hiện tại Viện Kỹ thuật HUTECH, Thành phố Hồ Chí Minh.
  • Phạm vi thời gian: Đề tài được giao ngày 17/09/2022 và hoàn thành nộp báo cáo vào ngày 10/12/2022.
  • Dữ liệu tính toán: Dựa trên bộ thông số kỹ thuật đầu vào của Đề số 08 kèm theo phiếu giao đề tài.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đồ án dựa trên nguyên lý cơ học truyền động và lý thuyết tính toán thiết kế ô tô. Ly hợp là cụm chi tiết nằm giữa động cơ và hộp số, có chức năng truyền mô-men xoắn từ trục khuỷu động cơ đến các cụm tiếp theo của hệ thống truyền lực, thực hiện việc ngắt và nối êm dịu dòng truyền công suất khi xe khởi hành, dừng xe, chuyển số hoặc phanh, đồng thời đóng vai trò cơ cấu an toàn bảo vệ hệ thống truyền lực khỏi hiện tượng quá tải. Đồ án hệ thống hóa các cách phân loại ly hợp:

  • Theo phương thức truyền mô-men: ly hợp ma sát (một đĩa, hai đĩa), ly hợp thủy lực, ly hợp điện từ và ly hợp liên hợp.
  • Theo cấu tạo bộ phận ma sát: ly hợp loại đĩa phẳng, loại đĩa côn, loại trống.
  • Theo phương pháp dẫn động điều khiển: dẫn động cơ khí, dẫn động thủy lực và dẫn động có trợ lực.
  • Theo đặc điểm làm việc: ly hợp thường đóng và ly hợp thường mở.
  • Theo kết cấu lò xo ép: lò xo trụ bố trí theo vòng tròn, lò xo côn xoắn, lò xo côn đĩa.

Phương pháp nghiên cứu được tác giả triển khai bao gồm:

  • Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết: Khảo sát, phân tích so sánh cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cụm ly hợp trên ba mẫu xe thực tế: Toyota Innova 2016, Toyota Fortuner 2008 và Kia Morning.
  • Phương pháp tính toán giải tích kỹ thuật: Sử dụng các công thức kinh nghiệm và phương trình sức bền vật liệu chuyên ngành để tính toán mô-men ma sát, kích thước đĩa ma sát, bán kính trung bình, công trượt, nhiệt độ nung nóng, ứng suất tiếp xúc, ứng suất cắt, ứng suất uốn và biến dạng xoắn trên các chi tiết chịu lực then chốt.
  • Phương pháp thiết kế hình học và mô phỏng động lực học: Thiết lập bản vẽ kỹ thuật chi tiết 2D, mô hình hóa cấu trúc hình học 3D của các chi tiết lắp ghép và sử dụng phần mềm CarSim để mô phỏng tương tác động lực học giữa cụm ly hợp và hệ thống truyền lực ô tô.

Nguồn dữ liệu sử dụng trong đồ án:

  • Dữ liệu thông số thiết kế xe SUV 7 chỗ từ Đề số 08 do Viện Kỹ thuật HUTECH ban hành.
  • Giáo trình và tài liệu kỹ thuật chuyên ngành tính toán thiết kế ô tô lưu hành nội bộ của Trường Đại học Công nghệ TP. HCM.
  • Thông số kỹ thuật của các dòng xe thương mại đối chứng từ nhà sản xuất Toyota và Kia.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

Chương 1 khái quát tính cấp thiết của việc nghiên cứu cụm ly hợp trong bối cảnh công nghệ kỹ thuật ô tô hiện đại. Tác giả trình bày lý do lựa chọn đề tài xuất phát từ nhu cầu củng cố kiến thức cấu tạo, nguyên lý và rèn luyện kỹ năng tính toán thiết kế chi tiết máy trên ô tô. Chương này xác định rõ mục tiêu, nhiệm vụ nghiên cứu, phương pháp tiếp cận tài liệu kỹ thuật và kết cấu 5 chương của đồ án môn học.

CHƯƠNG 2: TỔNG QUANG VỀ LY HỢP

Chương 2 trình bày tổng quan lý thuyết về công dụng, yêu cầu kỹ thuật và phân loại ly hợp, đồng thời phân tích cụ thể kết cấu ly hợp trên ba dòng xe thực tế:

  • Công dụng và yêu cầu: Ly hợp phải đảm bảo truyền hết mô-men xoắn cực đại của động cơ mà không bị trượt ở điều kiện làm việc bình thường; đóng êm dịu để giảm tải trọng động; mở nhanh và dứt khoát; mô-men quán tính phần bị động nhỏ; thoát nhiệt tốt; kết cấu nhỏ gọn, dễ bảo dưỡng, sửa chữa.
  • Phân loại và đánh giá ưu - nhược điểm: Phân tích ưu nhược điểm của ly hợp ma sát một đĩa (kết cấu đơn giản, giá rẻ, thoát nhiệt nhanh nhưng áp lực bề mặt không đều), ly hợp hai đĩa (truyền mô-men lớn, đóng êm nhưng kết cấu phức tạp, giá thành cao), ly hợp thủy lực (làm việc êm, giảm tải trọng động, tự bôi trơn nhưng chi phí chế tạo cao, dễ rò rỉ chất lỏng). Về hệ thống dẫn động: dẫn động cơ khí (đơn giản nhưng lực đạp lớn, đóng ngắt kém êm), dẫn động thủy lực (gọn gàng, dẫn động êm dịu, hiệu suất cao hơn nhưng lực đạp tương đối lớn) và dẫn động có trợ lực (lực đạp nhẹ, an toàn khi mất trợ lực nhưng kết cấu cồng kềnh do cần máy nén và bình chứa khí).
  • Khảo sát thực tế:
    1. Xe Toyota Innova 2016: Động cơ VVT-i 4 xi-lanh thẳng hàng dung tích 2.0L (công suất 134 mã lực), cấu hình động cơ đặt trước - cầu sau chủ động, sử dụng ly hợp ma sát khô một đĩa thường đóng kết hợp hộp số sàn 5 cấp.
    2. Xe Toyota Fortuner 2008: Động cơ xăng dung tích 2694 cc (mô-men xoắn cực đại 245 Nm), trang bị hệ thống van phối khí thông minh VVT-i, hệ thống phanh ABS tích hợp EBD, sử dụng ly hợp ma sát khô dẫn động thủy lực.
    3. Xe Kia Morning: Khảo sát chi tiết hệ thống ly hợp thủy lực gồm bàn đạp, xi-lanh chính, ống áp lực, xi-lanh phụ, phuộc nhả, vòng bi tỳ, lò xo màng, đĩa áp suất, ống xoắn, đĩa ma sát và bánh đà; phân tích chi tiết quy trình hai pha vận hành đóng và ngắt truyền động.

CHƯƠNG 3: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

Chương 3 là nội dung trọng tâm của đồ án, bao gồm việc lựa chọn phương án kết cấu và thực hiện toàn bộ các phép tính toán thiết kế, kiểm nghiệm bền cho cụm ly hợp và hệ thống dẫn động:

  • Lựa chọn phương án: Đối với xe SUV 7 chỗ, tác giả chọn phương án ly hợp ma sát khô một đĩa, sử dụng lò xo ép dạng đĩa nón cụt và cơ cấu điều khiển dẫn động bằng thủy lực nhằm tối ưu khối lượng, kích thước nhỏ gọn, mở dứt khoát, thoát nhiệt tốt và giảm lực thao tác cho người lái.
  • Tính toán kích thước đĩa ma sát: Từ mô-men cực đại của động cơ $M_{emax} = 180\text{ Nm}$ và hệ số dự trữ chọn $\beta = 1,3$, mô-men ma sát cần truyền được xác định là $M_{ms} = 234\text{ Nm}$. Đường kính ngoài đĩa ma sát sơ bộ chọn $D_2 = 200\text{ mm}$ ($R_2 = 100\text{ mm}$), bán kính trong $R_1 = 60\text{ mm}$ ($D_1 = 120\text{ mm}$), bán kính ma sát trung bình tính được $R_{tb} = 81,67\text{ mm}$ (lấy tròn $82\text{ mm}$). Số đôi bề mặt ma sát tính toán $P = 2$, tương ứng với 1 đĩa bị động ($n = 1$). Lực ép cần thiết tác dụng lên đĩa ép là $P_\Sigma = 4756,09\text{ N}$.
  • Kiểm tra điều kiện làm việc: Công trượt riêng của ly hợp khi khởi hành xe đạt $L_0 = 82743,2\text{ J/m}^2$, nhỏ hơn giới hạn cho phép đối với ô tô du lịch $[L_0] = 0,98 \times 10^6\text{ J/m}^2$. Độ tăng nhiệt độ của đĩa ép sau một lần đóng ly hợp (với khối lượng đĩa ép $m_d = 0,627\text{ kg}$, nhiệt dung riêng vật liệu gang thép $c = 500\text{ J/(kg}\cdot^\circ\text{C)}$, tỷ lệ nhiệt truyền $\gamma = 0,5$) được xác định thỏa mãn giới hạn nhiệt độ cho phép $[\Delta t]$.
  • Tính toán phương án lò xo ép hình trụ: Xác định lực ép cực đại khi mở ly hợp tăng 20% đạt $P'\Sigma = 5707,3\text{ N}$. Khi bố trí $n = 12$ lò xo trụ, lực ép trên một lò xo ở trạng thái đóng là $P{lx} = 396,34\text{ N}$, ở trạng thái mở là $P'_{lx} = 475,6\text{ N}$ (đều nhỏ hơn tải trọng cho phép $100\text{ kg} \approx 981\text{ N}$). Với hệ số tập trung ứng suất $K = 1,2$, tính được số vòng làm việc của lò xo $n_0 = 2$, tổng số vòng $n = 4$, chiều dài toàn bộ lò xo $L = 20,6\text{ mm}$.
  • Tính toán sức bền lò xo ép dạng đĩa nón cụt: Sử dụng vật liệu thép Mn65 có $[\tau] = 650 \div 850\text{ MN/m}^2$, $[\sigma] = 1000\text{ MN/m}^2$. Với hệ số nới lỏng $K_0 = 1,05$, lực ép cần thiết $P_{lx} = 4994\text{ N}$. Các thông số hình học: đường kính ngoài tỳ đĩa ép $D_e = 192\text{ mm}$, đường kính mép xẻ rãnh $D_a = 160\text{ mm}$, đường kính đỉnh đĩa $D_i = 77\text{ mm}$, chiều dày đĩa $\delta = 2\text{ mm}$, chiều cao phần không xẻ rãnh $h = 4\text{ mm}$, độ dịch chuyển $l = 2\text{ mm}$. Lực ép phẳng tạo ra $F_\Sigma = 5011,45\text{ N} > 4994\text{ N}$ (đảm bảo khả năng ép chặt). Lực cần thiết để ngắt ly hợp xác định được là $F_n = 869,3\text{ N}$.
  • Tính toán sức bền đinh tán đĩa bị động: Xương đĩa bằng thép 50 dày $\delta_x = 1,8\text{ mm}$, tấm ma sát pherado dày $\delta = 4\text{ mm}$. Dãy đinh tán ngoài ($d = 6\text{ mm}$, bán kính $r_2 = 90\text{ mm}$, số lượng $n_2 = 12$ đinh) chịu lực tác dụng $F_2 = 609,7\text{ N}$. Ứng suất chèn dập tính toán đạt $\sigma_{cd} = 423,4\text{ N/cm}^2$, nhỏ hơn ứng suất chèn dập cho phép $[\sigma_{cd}] = 2500\text{ N/cm}^2$.
  • Tính toán bền trục ly hợp: Trục làm bằng thép 40X ($[\sigma] = 800\text{ N/mm}^2$), đường kính trục chọn $d = 35\text{ mm}$. Khảo sát phân bố tải trọng và mô-men tại tay số 1 của hộp số xác định tiết diện B là vị trí nguy hiểm nhất với mô-men uốn $M_x = 417860\text{ N}\cdot\text{mm}$, $M_y = 79440\text{ N}\cdot\text{mm}$, mô-men xoắn $M_z = 180000\text{ N}\cdot\text{mm}$. Ứng suất tổng hợp theo thuyết bền ứng suất tiếp lớn nhất đạt $\sigma = 107,7\text{ N/mm}^2 < [\sigma]$, khẳng định trục ly hợp đủ độ bền.
  • Tính toán moay-ơ đĩa bị động: Bằng thép 40X, chiều dài $L = 36\text{ mm}$, liên kết then hoa gồm $Z_2 = 12$ then ($D = 38\text{ mm}$, $d = 32\text{ mm}$, $b = 6\text{ mm}$). Đinh tán nối moay-ơ gồm 4 đinh thép 30 ($d = 0,6\text{ cm}$, bán kính $r = 6\text{ cm}$), chịu lực $F = 1500\text{ N}$. Ứng suất cắt tính được là $\tau_c = 1326,29\text{ N/cm}^2 \le [\tau_c] = 3000\text{ N/cm}^2$; ứng suất chèn dập $\sigma_{cd} = 1250\text{ N/cm}^2 \le [\sigma_{cd}] = 8000\text{ N/cm}^2$.
  • Tính toán lò xo giảm chấn: Bố trí $Z_1 = 4$ lò xo giảm chấn (bán kính $R_1 = 35\text{ mm}$, thép Mn65, lực ép $P_1 = 1168\text{ N}$) và $Z_2 = 4$ vòng ma sát (bán kính $R_2 = 30\text{ mm}$, lực ép $P_2 = 584\text{ N}$). Lò xo có đường kính trung bình $D' = 14\text{ mm}$, đường kính dây $d' = 4\text{ mm}$, độ cứng $K = 12,2625\text{ N/cm}$, ứng suất xoắn thỏa mãn giới hạn $[6500 \div 8500]\text{ kG/cm}^2$. Số vòng làm việc $n_0 = 12$, chiều dài khi làm việc $l_1 = 48\text{ mm}$, chiều dài tự do $l_2 = 53\text{ mm}$. Cửa sổ moay-ơ có chiều dài $A = 26\text{ mm}$, góc nghiêng cạnh bên $1,4^\circ$, đường kính thanh tựa $d = 11\text{ mm}$, khe hở $\Delta_1 = \Delta_2 = 3\text{ mm}$, kích thước lỗ $B = 17\text{ mm}$.
  • Tính toán thiết kế dẫn động thủy lực: Các kích thước đòn dẫn động $a = 270\text{ mm}$, $b = 60\text{ mm}$, $c = 120\text{ mm}$, $d = 80\text{ mm}$. Tỉ số truyền đòn mở lò xo đĩa $i_2 = 5,76$. Đường kính xi-lanh chính chọn $d_1 = 16\text{ mm}$, xi-lanh công tác $d_2 = 22\text{ mm}$. Tỉ số truyền chung của hệ dẫn động đạt $i_c = 73,5$. Với hiệu suất dẫn động $\eta = 0,95$, lực bàn đạp người lái tác dụng là $Q_{bđ} = 81,7\text{ N}$, nằm trong khoảng tiêu chuẩn cho phép $[60 \div 150]\text{ N}$. Hành trình tự do bàn đạp $S_0 = 14,88\text{ mm}$ (với khe hở bi tỳ $\delta = 3\text{ mm}$), hành trình làm việc $S_{lv} = 110,25\text{ mm}$ (với khe hở ma sát $\Delta l = 1,5\text{ mm}$), tổng hành trình bàn đạp đạt $S_t = 125,13\text{ mm}$. Hành trình làm việc của piston xi-lanh công tác là $S_2 = 17,46\text{ mm}$, thể tích dầu yêu cầu $V_2 = 6637,11\text{ mm}^3$.

CHƯƠNG 4: BẢN VẼ CHI TIẾT CỤM LY HỢP

Chương 4 cung cấp hệ thống bản vẽ thiết kế kỹ thuật, thể hiện cấu trúc không gian, quy cách kích thước, dung sai lắp ghép và mối liên kết giữa các chi tiết trong cụm ly hợp, bao gồm đĩa ép, đĩa bị động, lò xo đĩa, moay-ơ và cụm dẫn động thủy lực.

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN

Chương 5 tóm tắt kết quả tính toán thiết kế của toàn bộ đồ án, khẳng định tính chính xác của các thông số kỹ thuật đã tính toán, sự phù hợp của phương án kết cấu được lựa chọn và độ bền làm việc an toàn của cụm ly hợp trên xe SUV 7 chỗ.

Thiết kế và triển khai kỹ thuật

Đồ án triển khai thiết kế hệ thống ly hợp dựa trên bộ thông số kỹ thuật đầu vào của xe SUV 7 chỗ và các hệ số thực nghiệm chuyên ngành ô tô.

Thông số xe cơ sở (Đề số 08) Giá trị Đơn vị
Loại phương tiện SUV 7 chỗ -
Công thức bánh xe 4x2 -
Vị trí động cơ / Cầu chủ động Đặt trước / Cầu trước -
Loại động cơ Động cơ xăng 4 kỳ -
Khối lượng bản thân xe 2350 kg
Khối lượng xe toàn tải 2800 kg
Phân bố khối lượng toàn tải lên cầu chủ động 1700 kg
Công suất cực đại của động cơ / số vòng quay 98 / 5700 kW / (vòng/phút)
Mô-men xoắn cực đại của động cơ / số vòng quay 180 / 2850 Nm / (vòng/phút)
Ký hiệu lốp xe 255/55/R18 -
Bán kính làm việc của bánh xe ($r_b$) 0,464 m
Chiều dài cơ sở 2650 mm
Chiều rộng cơ sở 1440 mm
Tỉ số truyền của truyền lực chính ($i_0$) 4,53 -
Tỉ số truyền hộp số ở tay số 1 ($i_{h1}$) 4,12 -
Hiệu suất hệ thống truyền lực ($\eta$) 0,95 -
Hệ số cản tổng cộng của mặt đường ($\psi$) 0,02 -
Hệ số bám của đường ($\varphi$) 0,8 -

Dựa trên các thông số xe cơ sở, tác giả thực hiện chuỗi quy trình thiết kế kỹ thuật và kiểm nghiệm bền cho từng bộ phận cụ thể:

Hạng mục chi tiết Thông số thiết kế xác định Vật liệu chế tạo Tiêu chuẩn / Ứng suất kiểm nghiệm
Đĩa ma sát bị động $D_2 = 200\text{ mm}$, $D_1 = 120\text{ mm}$, $b = 40\text{ mm}$, $\delta = 4\text{ mm}$ Tấm ma sát Pherado, xương đĩa thép 50 ($\delta_x = 1,8\text{ mm}$) Công trượt riêng $L_0 = 82743,2\text{ J/m}^2 \le 0,98 \cdot 10^6\text{ J/m}^2$
Đĩa ép ly hợp $R_2 = 100\text{ mm}$, $R_1 = 60\text{ mm}$, $m_d = 0,627\text{ kg}$ Gang hoặc thép ($\rho = 7800\text{ kg/m}^3$, $c = 500\text{ J/(kg}\cdot^\circ\text{C)}$) Độ tăng nhiệt độ một lần đóng ly hợp đạt giới hạn $[\Delta t]$
Lò xo ép đĩa nón cụt $D_e = 192\text{ mm}$, $D_a = 160\text{ mm}$, $D_i = 77\text{ mm}$, $\delta = 2\text{ mm}$, $h = 4\text{ mm}$ Thép Mn65 $F_\Sigma = 5011,45\text{ N} > P_{lx} = 4994\text{ N}$; $[\sigma] = 1000\text{ MN/m}^2$
Đinh tán đĩa bị động Dãy ngoài 12 đinh tán, đường kính $d = 6\text{ mm}$, $r_2 = 90\text{ mm}$ Thép hợp kim $\sigma_{cd} = 423,4\text{ N/cm}^2 \le [\sigma_{cd}] = 2500\text{ N/cm}^2$
Trục ly hợp Đường kính $d = 35\text{ mm}$ Thép 40X $\sigma = 107,7\text{ N/mm}^2 \le [\sigma] = 800\text{ N/mm}^2$
Moay-ơ đĩa bị động 12 then hoa, $D = 38\text{ mm}$, $d = 32\text{ mm}$, $b = 6\text{ mm}$, $L = 36\text{ mm}$ Thép 40X, đinh tán thép 30 Đinh tán: $\tau_c = 1326,29\text{ N/cm}^2 \le 3000\text{ N/cm}^2$; $\sigma_{cd} = 1250\text{ N/cm}^2 \le 8000\text{ N/cm}^2$
Lò xo giảm chấn 4 lò xo, $D' = 14\text{ mm}$, $d' = 4\text{ mm}$, $n_0 = 12$, $R_1 = 35\text{ mm}$, $P_1 = 1168\text{ N}$ Thép Mn65 Ứng suất xoắn đạt ngưỡng cho phép $[\tau] = 6500 \div 8500\text{ kG/cm}^2$
Hệ dẫn động thủy lực $d_1 = 16\text{ mm}$, $d_2 = 22\text{ mm}$, $i_2 = 5,76$, $i_c = 73,5$ Hợp kim nhôm / gang Lực bàn đạp $Q_{bđ} = 81,7\text{ N} \le [60 \div 150]\text{ N}$; $S_t = 125,13\text{ mm}$

Kết quả và đóng góp

Đồ án hoàn thành đầy đủ các nhiệm vụ tính toán thiết kế kỹ thuật với các kết quả định lượng cụ thể:

  • Xác định hệ thống thông số kích thước cơ bản của cụm ly hợp phù hợp cho xe SUV 7 chỗ: bán kính ngoài $R_2 = 100\text{ mm}$, bán kính trong $R_1 = 60\text{ mm}$, bán kính trung bình $R_{tb} = 82\text{ mm}$, bề rộng tấm ma sát $b = 40\text{ mm}$, chiều dày tấm ma sát $4\text{ mm}$.
  • Đảm bảo các chỉ tiêu về độ bền và nhiệt động lực học: công trượt riêng $L_0 = 82743,2\text{ J/m}^2$, thấp hơn rất nhiều so với ngưỡng giới hạn $0,98 \times 10^6\text{ J/m}^2$; độ tăng nhiệt độ đĩa ép đạt yêu cầu; ứng suất tổng hợp tại tiết diện nguy hiểm của trục ly hợp chỉ đạt $107,7\text{ N/mm}^2$ so với giới hạn bền $800\text{ N/mm}^2$ của thép 40X.
  • Thiết kế hệ dẫn động thủy lực hoạt động hiệu quả với tỉ số truyền chung $i_c = 73,5$, mang lại lực đạp ly hợp $Q_{bđ} = 81,7\text{ N}$, nằm trong khoảng tối ưu cho người lái xe con ($60 \div 150\text{ N}$), tổng hành trình bàn đạp $S_t = 125,13\text{ mm}$ đảm bảo tính công thái học và thao tác dứt khoát.

Giải pháp và đóng góp của đề tài:

  • Đề xuất và chứng minh tính hợp lý của phương án sử dụng ly hợp ma sát khô một đĩa kết hợp lò xo đĩa nón cụt và hệ thống dẫn động thủy lực thay cho lò xo trụ và dẫn động cơ khí truyền thống, giúp kết cấu cụm truyền lực gọn nhẹ, giảm lực mở ly hợp và phân bố lực ép đều lên bề mặt ma sát.
  • Thiết lập hệ thống tính toán chi tiết, nhất quán từ lý thuyết cơ học đến ứng dụng kiểm nghiệm bền trên các chi tiết chịu tải trọng phức tạp (đinh tán, moay-ơ, lò xo giảm chấn xoắn, trục ly hợp).
  • Cung cấp mô hình thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh gồm bản thuyết minh tính toán, bản vẽ 2D, mô hình lắp ráp 3D và định hướng ứng dụng CarSim trong việc phân tích ảnh hưởng của cụm ly hợp đến động lực học ô tô.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài:

  • Đồ án chủ yếu dừng lại ở các bước tính toán thiết kế giải tích trên lý thuyết và mô phỏng trên phần mềm, chưa có điều kiện chế tạo mẫu thử nghiệm vật lý để đo đạc thực tế trên băng thử chuyên dụng.
  • Một số thông số kích thước của hộp số (như đường kính vòng lăn bánh răng các trục, khoảng cách gối đỡ ổ bi) được chọn theo số liệu tham khảo thiết kế chung chứ chưa khảo sát đo đạc trực tiếp trên một mẫu hộp số thương mại cụ thể.
  • Đồ án chưa đi sâu vào phân tích bài toán phân bố nhiệt độ không đồng đều và hiện tượng mài mòn theo thời gian của bề mặt ma sát khi xe vận hành trong các điều kiện khắc nghiệt liên tục.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

  • Ứng dụng chuyên sâu phần mềm CarSim để mô phỏng toàn diện quá trình đóng ngắt ly hợp trong các chế độ chuyển số khác nhau và đánh giá mức độ dao động dọc của xe.
  • Áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) trên các phần mềm như ANSYS hoặc Abaqus để mô phỏng chính xác trường ứng suất, biến dạng nhiệt và sự tập trung ứng suất trên lò xo đĩa nón cụt và đĩa ép.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo chuyên ngành hữu ích cho:

  • Sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ khí Động lực khi thực hiện đồ án môn học Tính toán thiết kế ô tô, Đồ án chi tiết máy hoặc Khóa luận tốt nghiệp về hệ thống truyền lực ô tô.
  • Giảng viên và kỹ sư cơ khí ô tô cần tài liệu tra cứu các bước tính toán thiết kế cụ thể cho cụm ly hợp ma sát khô một đĩa sử dụng lò xo đĩa và hệ dẫn động điều khiển thủy lực.
  • Phần có giá trị tham khảo cao nhất là Chương 3, nơi trình bày tường minh toàn bộ quy trình tính toán kích thước ma sát, phương pháp xác định thông số lò xo đĩa nón cụt, kiểm nghiệm sức bền trục ly hợp theo thuyết bền ứng suất tiếp, tính toán lò xo giảm chấn dập tắt dao động xoắn và xác định hành trình, kích thước hệ thống xi-lanh dẫn động thủy lực.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương án kết cấu cụm ly hợp và hệ thống dẫn động nào được tác giả lựa chọn để thiết kế cho xe SUV 7 chỗ? Tác giả lựa chọn phương án ly hợp ma sát khô một đĩa, sử dụng lò xo ép dạng đĩa nón cụt và hệ thống dẫn động điều khiển bằng thủy lực. Phương án này đảm bảo khả năng đóng ngắt êm dịu, thoát nhiệt tốt, kích thước cụm ly hợp nhỏ gọn và giảm lực tác dụng lên bàn đạp cho người lái.

2. Các kích thước hình học cơ bản của đĩa ma sát ly hợp được xác định là bao nhiêu? Đĩa ma sát được xác định với đường kính ngoài $D_2 = 200\text{ mm}$ ($R_2 = 100\text{ mm}$), đường kính trong $D_1 = 120\text{ mm}$ ($R_1 = 60\text{ mm}$), bán kính ma sát trung bình $R_{tb} = 82\text{ mm}$, bề rộng tấm ma sát $b = 40\text{ mm}$, chiều dày tấm ma sát $\delta = 4\text{ mm}$ và số lượng đĩa bị động là 1 (tương ứng 2 bề mặt ma sát).

3. Kết quả kiểm tra độ bền trục ly hợp tại tiết diện nguy hiểm đạt giá trị bao nhiêu? Tại tiết diện nguy hiểm nhất (tiết diện B ở gối đỡ trục), ứng suất tổng hợp tính theo thuyết bền ứng suất tiếp lớn nhất đạt $\sigma = 107,7\text{ N/mm}^2$. Giá trị này nhỏ hơn nhiều so với giới hạn bền cho phép của vật liệu thép 40X ($[\sigma] = 800\text{ N/mm}^2$), đảm bảo trục ly hợp đủ độ bền vận hành.

4. Lực đạp bàn đạp ly hợp của người lái và hành trình bàn đạp có thỏa mãn tiêu chuẩn kỹ thuật không? Lực cần thiết của người lái tác dụng lên bàn đạp được tính toán là $Q_{bđ} = 81,7\text{ N}$, nằm hoàn toàn trong phạm vi cho phép đối với dòng xe du lịch ($60 \div 150\text{ N}$). Tổng hành trình bàn đạp tính toán là $S_t = 125,13\text{ mm}$ (gồm hành trình tự do $14,88\text{ mm}$ và hành trình làm việc $110,25\text{ mm}$), đáp ứng tốt các yêu cầu về công thái học và thao tác điều khiển.

5. Tác giả đã khảo sát kết cấu cụm ly hợp trên những mẫu xe thương mại nào trong phần tổng quan? Tác giả đã khảo sát và phân tích cụ thể trên ba mẫu xe: xe Toyota Innova 2016 (động cơ 2.0L, ly hợp ma sát khô một đĩa thường đóng, hộp số sàn 5 cấp), xe Toyota Fortuner 2008 (động cơ xăng V6 2694 cc, ly hợp ma sát khô dẫn động thủy lực) và xe Kia Morning (hệ thống ly hợp điều khiển thủy lực với đầy đủ các cụm xi-lanh, phuộc nhả và lò xo màng).

Kết luận

Đồ án "Tính toán thiết kế cụm ly hợp ô tô" của nhóm sinh viên Viện Kỹ thuật HUTECH đã giải quyết trọn vẹn và khoa học nhiệm vụ thiết kế cụm ly hợp ma sát khô một đĩa sử dụng lò xo đĩa và hệ dẫn động thủy lực cho xe SUV 7 chỗ dựa trên số liệu Đề số 08. Toàn bộ các bước tính toán kích thước cơ bản, kiểm tra công trượt, độ tăng nhiệt độ và kiểm nghiệm sức bền của trục ly hợp, moay-ơ, lò xo giảm chấn, đinh tán cùng hệ thống điều khiển đều thỏa mãn các tiêu chuẩn kỹ thuật ngành ô tô. Công trình là tài liệu học thuật và kỹ thuật hoàn chỉnh, có giá trị ứng dụng cao đối với việc học tập, nghiên cứu và thực hành thiết kế hệ thống truyền lực ô tô.