Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong hệ thống vận tải quốc dân, phương tiện ô tô giữ vai trò thiết yếu nhờ tính cơ động, an toàn và khả năng vận chuyển linh hoạt trên các tuyến đường ngắn và trung bình. Phương tiện này có thể tiếp cận trực tiếp các địa điểm địa hình phức tạp, giao nhận tận nơi mà các loại hình giao thông khác khó đáp ứng. Tại Việt Nam, ngành công nghiệp ô tô trước năm 1985 chủ yếu sử dụng các dòng xe nhập khẩu; từ đầu thập niên 1990, sự xuất hiện của 14 doanh nghiệp liên doanh (như Toyota, Mercedes-Benz VMC, Daewoo, Mitsubishi, Nissan, Ford) cùng các nhà sản xuất nội địa (Trường Hải, MêKông, Vinasuki, Công ty ô tô 1-5, Công ty ô tô 3-2) đã thúc đẩy quá trình chuyển dịch từ khai thác, bảo dưỡng sang lắp ráp trên các dây chuyền công nghệ hiện đại.

Đề tài "Tính toán thiết kế ô tô" do nhóm sinh viên Phan Hữu Nhân, Đỗ Duy Pha và Nguyễn Trọng Huy (Lớp CĐ OTO 20B, Khoa Cơ khí Động lực, Trường Cao đẳng Kỹ thuật Cao Thắng) thực hiện dưới sự hướng dẫn của giảng viên Huỳnh Hải Đăng vào năm 2022. Nhiệm vụ trọng tâm của đồ án là tính toán thiết kế và kiểm nghiệm sức bền cụm hộp số cơ khí cho dòng xe địa hình YA3-469 (UAZ-469).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể:

  1. Đối tượng nghiên cứu: Cụm hộp số cơ khí 3 trục 4 cấp số trên xe ô tô YA3-469, bao gồm hệ thống bánh răng, trục truyền động và các gối đỡ ổ lăn.
  2. Phạm vi không gian: Thực hiện trong phạm vi chương trình đào tạo chuyên ngành Cơ khí Động lực tại Trường Cao đẳng Kỹ thuật Cao Thắng, TP. Hồ Chí Minh.
  3. Phạm vi kỹ thuật: Tính toán động học, phân phối tỷ số truyền, xác định thông số hình học của bánh răng, kiểm nghiệm bền ứng suất uốn (Lewis), ứng suất tiếp xúc (Hertz - Beliaev), và xác định tải trọng tĩnh tác dụng lên trục trung gian cùng trục thứ cấp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán

Đồ án xây dựng dựa trên lý thuyết tính toán thiết kế hệ thống truyền lực ô tô và các tiêu chuẩn kiểm nghiệm sức bền chi tiết máy. Các phương pháp và mô hình giải tích được áp dụng cụ thể:

  • Phương pháp xác định tỷ số truyền và động lực học kéo: Tỉ số truyền của hộp số được xác định dựa trên điều kiện cản cực đại của mặt đường và bán kính lăn có tính đến độ biến dạng của lốp ($r_{bx}$): $$r_{bx} = \lambda \cdot r_k$$ Trong đó, hệ số kể đến sự biến dạng của lốp $\lambda$ được chọn trong khoảng $0,930 - 0,935$ đối với lốp áp suất thấp. Tỉ số truyền lực chính $i_0$ được tính toán thông qua hệ số vòng quay động cơ ($n_e/v$).
  • Phương pháp xác định kích thước hình học: Khoảng cách giữa các trục $A$ được xác định theo công thức kinh nghiệm từ mô-men xoắn cực đại của động cơ ($M_{emax}$): $$A = K_A \sqrt{M_{emax}}$$ Mô-đun pháp tuyến $m_n$ được chọn sơ bộ $m_n = 3$, bề rộng vành răng $b$ và góc nghiêng răng $\beta$ được hiệu chỉnh để đảm bảo khoảng cách trục đồng nhất giữa các cặp bánh răng ăn khớp và triệt tiêu lực dọc trục trên trục trung gian.
  • Phương pháp kiểm nghiệm bền bánh răng:
    • Ứng suất uốn: Đánh giá tại tiết diện chân răng theo công thức Lewis: $$\sigma_u = \frac{P \cdot K}{b \cdot t_n \cdot y}$$ Với $P$ là lực vòng, $K$ là hệ số bổ sung (tính đến tập trung ứng suất, độ trùng khớp $\varepsilon$, ma sát và biến dạng trục), $t_n$ là bước răng pháp tuyến, $y$ là hệ số dạng răng.
    • Ứng suất tiếp xúc: Tính toán tại điểm tiếp xúc theo công thức Hertz - Beliaev: $$\sigma_{tx} = 0,418 \sqrt{\frac{P \cdot E}{b \cdot \cos\alpha \cdot \frac{r_1 \cdot r_2}{r_1 \pm r_2}}}$$ Được kiểm nghiệm với ứng suất tiếp xúc cho phép $[\sigma_{tx}]$ của bánh răng trụ răng nghiêng ô tô.
  • Phương pháp phân tích lực tác dụng lên trục và gối đỡ: Phân rã lực ăn khớp bánh răng thành 3 thành phần: lực vòng ($P$), lực hướng kính ($P_r$), và lực chiều trục ($P_a$). Thiết lập các phương trình cân bằng mô-men và lực tĩnh học trên hai mặt phẳng vuông góc Oxy và Oxz để xác định phản lực liên kết tại các ổ bi đỡ chặn.
  • Nguồn dữ liệu: Toàn bộ thông số kỹ thuật gốc được trích xuất từ tài liệu kỹ thuật của dòng xe YA3-469 (UAZ-469) sử dụng động cơ xăng 4 kỳ dung tích 2,445 lít.

Thiết kế kỹ thuật và kiểm nghiệm hệ thống

Khóa luận trình bày hệ thống số liệu kỹ thuật đầu vào của xe cơ sở YA3-469 và chuỗi các kết quả tính toán thiết kế cho cụm hộp số:

Bảng thông số kỹ thuật cơ bản của xe YA3-469

Thông số Giá trị Đơn vị
Trọng tải thiết kế 600 kg (2 người) hoặc 700 kg (1 người) kg
Khối lượng bản thân xe 1650 (Cầu trước: 890, Cầu sau: 760) kg
Trọng lượng toàn tải 2450 (Cầu trước: 1020, Cầu sau: 1430) kg
Khối lượng kéo cho phép của rơ-moóc 850 kg
Khoảng sáng gầm xe 300 mm
Bán kính quay vòng nhỏ nhất 6,5 m
Vận tốc cực đại 100 km/h
Quãng đường phanh ở tốc độ 70 km/h 53 m
Mức tiêu hao nhiên liệu tại 30 km/h 10,6 lít/100 km
Kiểu loại động cơ Xăng 4 kì, 4 xi lanh, thứ tự nổ 1–2–3–4 -
Đường kính x Hành trình piston 92 x 92 mm
Dung tích công tác động cơ 2,445 lít
Tỉ số nén 6,7 -
Công suất cực đại động cơ 55,2 (tại 4000 vg/ph) kW
Mô-men xoắn cực đại động cơ 17 (tương đương 170 N.m tại 2200 – 2500 vg/ph) kGm
Bộ chế hòa khí Caburato K-129B -
Hệ thống ly hợp Ma sát 1 đĩa khô -
Tỉ số truyền hộp số nguyên bản I: 3,13; II: 2,17; III: 1,44; IV: 1; Lùi: 5,22 -
Tỉ số truyền hộp phân phối 1,00 và 1,94 -
Tỉ số truyền lực chính chung 5,38 (Cặp bánh răng chính 2,77; giảm tốc bánh xe 1,94) -
Kích thước lốp xe 8,4 – 15 inch
Áp suất lốp (trước / sau) 1,7 / 1,9 $\text{kG/cm}^2$

Thiết kế động học và kích thước hình học cụm hộp số

Hộp số được lựa chọn là loại 3 trục, 4 cấp số tiến và 1 số lùi, có bộ đồng tốc trang bị cho số truyền 3 và 4. Trục sơ cấp (1) và trục thứ cấp (2) bố trí đồng trục, trục trung gian (3) đặt song song. Bánh răng chủ động $Z_4$ được chế tạo liền với trục sơ cấp.

Các cặp bánh răng ăn khớp được tính toán và chuẩn hóa thông số:

  • Khoảng cách trục chuẩn hóa: $A = 84,87\text{ mm}$ (xấp xỉ 84,87049 mm).
  • Mô-đun pháp tuyến: $m_n = 3\text{ mm}$.
  • Bề rộng vành răng: Bánh răng luôn ăn khớp $b_a = 26\text{ mm}$, Số 1 $b_1 = 24\text{ mm}$, Số 2 $b_2 = 26\text{ mm}$, Số 3 $b_3 = 26\text{ mm}$, Số 4 $b_4 = 28\text{ mm}$, Số lùi $b_r = 22\text{ mm}$.
  • Phân bổ số răng:
    • Cặp bánh răng luôn ăn khớp: Bánh chủ động $Z_a = 18$ răng, bánh bị động $Z'_a = 31$ răng.
    • Bánh răng trên trục trung gian: $Z_1 = 19$, $Z_2 = 23$, $Z_3 = 27$, $Z_4 = 34$, Bánh răng lùi $Z_r = 16$.
    • Bánh răng trên trục thứ cấp: $Z'_1 = 35$, $Z'_2 = 29$, $Z'_3 = 23$, $Z'_4 = 13$, Bánh răng lùi $Z'_r = 29$.
    • Bánh răng trung gian trên trục lùi: $Z''_r = 20$ răng.

Kết cấu trục và lựa chọn ổ bi

Kích thước trục được xác định sơ bộ và kiểm tra:

  • Trục sơ cấp: Đường kính $d_1 = 40\text{ mm}$, chiều dài $l_1 = 280\text{ mm}$.
  • Trục trung gian: Đường kính $d_2 = 40\text{ mm}$, chiều dài $l_2 = 300\text{ mm}$.
  • Trục thứ cấp: Đường kính $d_3 = 35\text{ mm}$, chiều dài $l_3 = 190\text{ mm}$.
  • Chiều dài tổng thể hộp số: $L \approx (2,6 - 2,8)A \approx 230\text{ mm}$.
  • Quy cách ổ bi đỡ trục (theo chuẩn ổ bi đỡ chặn):
    • Ổ bi đỡ trục sơ cấp: Mã số 46308.
    • Ổ bi đỡ phía sau trục thứ cấp: Mã số 46307.
    • Ổ bi đỡ đầu trước và đầu sau trục trung gian: Mã số 46308.

Nội dung chính theo từng phần của đồ án

Phần 1: Tổng quan về hộp số

Phần tổng quan hệ thống hóa cơ sở kỹ thuật về cụm hộp số trên ô tô:

  • Công dụng: Biến đổi mô-men xoắn và vận tốc quay của bánh xe chủ động nhằm thắng lực cản chuyển động; thực hiện chuyển động lùi; ngắt dòng truyền lực từ động cơ đến hệ thống bánh xe trong thời gian dài khi xe dừng hoặc nổ máy tại chỗ.
  • Phân loại:
    • Theo trạng thái trục: Hộp số có trục cố định và hộp số có trục di động (hành tinh).
    • Theo số trục: Hộp số hai trục, hộp số ba trục.
    • Theo số cấp: Hộp số 2, 3, 4 cấp.
    • Theo cơ cấu gài số: Gài bằng bánh răng di trượt, bằng bộ đồng tốc, hoặc bằng ly hợp/phanh ma sát (trong hộp số thủy cơ).
    • Theo phương thức điều khiển: Bằng tay, tự động và bán tự động.
  • Yêu cầu kỹ thuật: Đảm bảo tỉ số truyền tối ưu hóa tính kinh tế nhiên liệu và động lực học; có khả năng trích công suất dẫn động thiết bị phụ; sang số nhẹ nhàng, không gây tiếng ồn; hiệu suất truyền động cao; kết cấu gọn nhẹ, dễ bảo dưỡng.

Phần 2: Trình tự tính toán hộp số

Nội dung trình tự tính toán gồm các bước thiết kế và kiểm nghiệm chi tiết:

  1. Xác định tỷ số truyền và động học: Thiết lập sơ đồ động học hộp số 3 trục 4 cấp số. Chọn số truyền 4 là số truyền thẳng ($i_{h4} = 1$) nhằm nâng cao hiệu suất truyền động và giảm tổn hao công suất trong quá trình làm việc thường xuyên nhất.
  2. Tính toán thông số hình học bánh răng: Xác định khoảng cách trục $A = 84,87\text{ mm}$, chọn mô-đun pháp tuyến $m_n = 3\text{ mm}$, xác định số răng của từng cấp số và điều chỉnh góc nghiêng $\beta$ để triệt tiêu lực dọc trục tác dụng lên trục trung gian.
  3. Tính toán chế độ tải trọng: Thiết lập mô-men xoắn tính toán tại các trục:
    • Trục sơ cấp: $M_{tsc} = M_{emax} = 170\text{ N.m}$.
    • Trục trung gian và trục thứ cấp tại từng tay số (Số 1, 2, 3, 4 và số lùi) có tính đến hiệu suất truyền lực $\eta = 0,93$.
  4. Kiểm nghiệm bền bánh răng:
    • Xác định đường kính vòng chia và lực vòng $P$ tác dụng lên từng cặp bánh răng.
    • Tính toán ứng suất uốn theo công thức Lewis với hệ số tập trung ứng suất $K_c = 1,5$ (răng nghiêng) và hệ số trùng khớp $\varepsilon = 2,0$. Xác định ứng suất uốn lớn nhất tại vị trí bánh răng số lùi.
    • Tính toán ứng suất tiếp xúc theo Hertz - Beliaev cho từng cặp bánh răng trên các trục, đối chiếu với giới hạn mỏi tiếp xúc cho phép của vật liệu chế tạo bánh răng ô tô.
  5. Tính toán trục và phản lực gối đỡ:
    • Xác định các thành phần lực hướng tâm ($P_r$) và lực dọc trục ($P_a$) do ăn khớp bánh răng truyền sang trục.
    • Lập phương trình cân bằng tĩnh học trên mặt phẳng thẳng đứng Oxy và mặt phẳng nằm ngang Oxz đối với trục trung gian:
      • Phản lực gối đỡ trên mặt phẳng Oxy: $R_{y1} = -6765,18\text{ N}$, $R_{y2} = -10242,53\text{ N}$.
      • Phản lực gối đỡ trên mặt phẳng Oxz: $R_{z1} = -12199,66\text{ N}$, $R_{z2} = -30980,50\text{ N}$.
    • Xác định biểu đồ mô-men uốn và xoắn tại các tiết diện lắp bánh răng $P'_a$, số 3, số 2, số 1, số lùi $R$, số 4 và các vị trí ổ lăn $OL1, OL2$.
    • Thiết lập sơ đồ phân bố lực và các phương trình cân bằng lực trên mặt phẳng Oxy cho trục thứ cấp.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã thực hiện đầy đủ các phép tính động học và động lực học cụ thể:

Tổng hợp thông số thiết kế hộp số xe YA3-469

Hạng mục chi tiết Thông số thiết kế Giá trị chuẩn hóa
Kiểu loại hộp số Hộp số cơ khí 3 trục, 4 cấp số tiến, 1 số lùi Đồng tốc số 3 và 4
Khoảng cách trục $A$ $84,87\text{ mm}$
Mô-đun pháp tuyến $m_n$ $3\text{ mm}$
Cặp bánh răng luôn ăn khớp $Z_a / Z'_a$ $18 / 31$ răng ($b_a = 26\text{ mm}$)
Cặp bánh răng số 1 $Z_1 / Z'_1$ $19 / 35$ răng ($b_1 = 24\text{ mm}$)
Cặp bánh răng số 2 $Z_2 / Z'_2$ $23 / 29$ răng ($b_2 = 26\text{ mm}$)
Cặp bánh răng số 3 $Z_3 / Z'_3$ $27 / 23$ răng ($b_3 = 26\text{ mm}$)
Cặp bánh răng số 4 $Z_4 / Z'_4$ $34 / 13$ răng ($b_4 = 28\text{ mm}$)
Cặp bánh răng số lùi $Z_r / Z''_r / Z'_r$ $16 / 20 / 29$ răng ($b_r = 22\text{ mm}$)
Trục sơ cấp Đường kính $d_1$ x Chiều dài $l_1$ $40\text{ mm} \times 280\text{ mm}$
Trục trung gian Đường kính $d_2$ x Chiều dài $l_2$ $40\text{ mm} \times 300\text{ mm}$
Trục thứ cấp Đường kính $d_3$ x Chiều dài $l_3$ $35\text{ mm} \times 190\text{ mm}$
Mã hiệu ổ lăn trục Trục sơ cấp / Trục thứ cấp / Trục trung gian 46308 / 46307 / 46308
Chiều dài tổng thể vỏ $L$ $230\text{ mm}$

Đóng góp chính của đồ án là hoàn thiện quy trình tính toán cơ khí cho một cụm hộp số ô tô tải nhẹ/địa hình, kết nối từ dữ liệu động cơ xe cơ sở đến việc xác định thông số hình học và kiểm nghiệm bền theo các tiêu chuẩn kỹ thuật cổ điển (Lewis, Hertz - Beliaev).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Toàn bộ nội dung đồ án dừng lại ở tính toán giải tích lý thuyết và kiểm nghiệm bền tĩnh học trên giấy; chưa thực hiện mô phỏng phân tích phần tử hữu hạn (FEA), phân tích động lực học đa vật thể (MBD) hay chế tạo thử nghiệm mô hình thực tế. Phép tính phân bố lực trên trục thứ cấp trong văn bản mới dừng lại ở bước lập phương trình cân bằng.
  • Hướng mở rộng:
    1. Tiếp tục tính toán kiểm nghiệm độ võng trục, góc xoay của trục tại các tiết diện lắp ổ lăn và bánh răng.
    2. Kiểm tra độ bền mỏi và tuổi thọ danh định của các ổ bi đỡ chặn đã chọn (46308, 46307) theo số giờ làm việc thực tế.
    3. Xây dựng mô hình 3D trên các phần mềm CAD/CAE để mô phỏng sự ăn khớp và phân bố trường ứng suất trên vành răng dưới tải trọng động.

Giá trị tham khảo

Tài liệu là nguồn tham khảo kỹ thuật trực tiếp cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực, Công nghệ Kỹ thuật Ô tô làm đồ án môn học Thiết kế Ô tô, đồ án Chi tiết máy hoặc Đồ án tốt nghiệp hệ Cao đẳng/Đại học.
  • Kỹ thuật viên và cán bộ kỹ thuật cần tra cứu thông số hình học, tỷ số truyền, quy cách ổ lăn và quy trình kiểm nghiệm bền của hộp số xe địa hình YA3-469 (UAZ-469).
  • Các phần đáng chú ý để trích dẫn: Chuỗi công thức xác định số răng, công thức kiểm tra ứng suất tiếp xúc Hertz - Beliaev cho bánh răng trụ răng nghiêng ô tô và phương pháp thiết lập phương trình cân bằng lực không gian trên trục hộp số.

Câu hỏi thường gặp

1. Đồ án lựa chọn loại hộp số nào để tính toán thiết kế cho xe YA3-469?
Đồ án thiết kế hộp số cơ khí 3 trục gồm 4 cấp số tiến và 1 số lùi, trong đó số truyền thẳng là số 4 ($i_{h4} = 1$), có trang bị bộ đồng tốc cho cấp số 3 và cấp số 4.

2. Các thông số hình học cơ bản của hộp số (khoảng cách trục, mô-đun) được xác định là bao nhiêu?
Khoảng cách giữa các trục sau khi chuẩn hóa là $A = 84,87\text{ mm}$ (84,87049 mm); mô-đun pháp tuyến của các cặp bánh răng được chọn đồng nhất $m_n = 3\text{ mm}$. Chiều dài tổng thể hộp số ước tính $L \approx 230\text{ mm}$.

3. Động cơ xe YA3-469 có các thông số công suất và mô-men xoắn cực đại như thế nào?
Xe sử dụng động cơ xăng 4 kỳ, 4 xi lanh dung tích 2,445 lít, đạt công suất cực đại 55,2 kW tại 4000 vòng/phút và mô-men xoắn cực đại đạt $17\text{ kGm}$ (khoảng 170 N.m) tại dải vòng tua $2200 - 2500\text{ vòng/phút}$.

4. Quy cách các ổ lăn đỡ trục hộp số được chọn theo mã số nào?
Trục sơ cấp sử dụng ổ bi đỡ chặn mã hiệu 46308; trục thứ cấp sử dụng ổ bi đỡ chặn mã hiệu 46307 ở gối đỡ phía sau; trục trung gian sử dụng 2 ổ bi đỡ chặn mã hiệu 46308 bố trí ở đầu trước và đầu sau.

5. Phương pháp kiểm nghiệm bền bánh răng trong đồ án áp dụng những công thức nào?
Đồ án áp dụng công thức Lewis để tính toán kiểm nghiệm ứng suất uốn chân răng và công thức Hertz - Beliaev để tính toán kiểm nghiệm ứng suất tiếp xúc bề mặt răng đối với bánh răng trụ răng nghiêng ô tô.

Kết luận

Đồ án "Tính toán thiết kế ô tô" của nhóm sinh viên Trường Cao đẳng Kỹ thuật Cao Thắng đã hoàn thành việc xây dựng chuỗi tính toán động học và kiểm nghiệm bền cho hộp số 3 trục 4 cấp xe YA3-469. Nghiên cứu đã xác định cụ thể các thông số hình học như khoảng cách trục ($A = 84,87\text{ mm}$), mô-đun ($m_n = 3\text{ mm}$), số răng các cặp bánh răng và lựa chọn các mã ổ bi đỡ chặn phù hợp. Các kết quả kiểm nghiệm ứng suất uốn theo Lewis và ứng suất tiếp xúc theo Hertz - Beliaev cung cấp tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo cho sinh viên và kỹ thuật viên ngành công nghệ kỹ thuật ô tô.