Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế ly hợp ô tô Toyota Vios 2020 - ĐH GTVT

Đồ án tốt nghiệp thiết kế ly hợp xe Toyota Vios 2020 chi tiết. Cung cấp đầy đủ cơ sở lý thuyết, quy trình tính toán động học và bản vẽ kỹ thuật chuẩn.

• Tác giả: Nguyễn Tuấn Việt
• Người hướng dẫn: PGS.TS Vũ Văn Tấn
• Trường học: Trường Đại học Giao thông Vận tải
• Chuyên ngành: Cơ khí ô tô
• Đề tài: Thiết kế ly hợp dựa trên cơ sở xe Toyota Vios 2020
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết kế ly hợp xe Toyota Vios 2020

Ly hợp là bộ phận quan trọng trong hệ thống truyền lực ô tô, đảm nhiệm vai trò ngắt kết nối giữa động cơ và hộp số khi cần chuyển số. Đồ án này tập trung thiết kế ly hợp dựa trên cơ sở xe Toyota Vios 2020, một mẫu xe phổ biến tại thị trường Việt Nam. Ly hợp được lựa chọn là loại ma sát khô một đĩa lò xo màng do ưu điểm gọn nhẹ, lực ép đều và tuổi thọ cao. Nhiệm vụ chính bao gồm truyền mô men xoắn, giảm rung động và bảo vệ hệ thống truyền động. Việc thiết kế phải đảm bảo tương thích với động cơ 1.5L, hộp số 5MT và đạt tiêu chuẩn an toàn vận hành.

1.1. Cấu tạo cơ bản của ly hợp

Ly hợp ma sát khô một đĩa gồm bốn bộ phận chính: đĩa ép, đĩa ma sát, lò xo ép (lò xo màng) và vỏ ly hợp. Đĩa ép nhận lực từ lò xo ép để ép đĩa ma sát vào bánh đà, tạo ma sát truyền mô men. Đĩa ma sát gắn trên moay ơ có lớp phủ vật liệu ma sát chịu nhiệt. Lò xo màng thay thế lò xo trụ truyền thống, cung cấp lực ép đều và ổn định. Vỏ ly hợp định tâm và bảo vệ toàn bộ cụm, thường chế tạo từ thép dập có độ bền cao.

1.2. Nguyên lý hoạt động

Khi người lái đạp bàn đạp, dẫn động thủy lực (hoặc cơ khí) tạo áp lực đẩy piston xy lanh chính, truyền lực qua dầu đến xy lanh công tác. Piston xy lanh công tác tác động lên đòn mở, ép lò xo màng làm đĩa ép tách khỏi đĩa ma sát. Quá trình đóng ly hợp diễn ra ngược lại nhờ lực hồi vị của lò xo. Ly hợp được thiết kế để hoạt động trơn tru ở tốc độ động cơ 1000-6000 vòng/phút, đảm bảo truyền lực ổn định trong mọi điều kiện vận hành.

II. Phân tích vấn đề thiết kế ly hợp cho Toyota Vios 2020

Thiết kế ly hợp cho xe Toyota Vios 2020 phải đối mặt với thách thức cân bằng giữa hiệu suất truyền lực và độ bền. Mô men xoắn động cơ 1.5L đạt 140Nm ở 4200 vòng/phút đòi hỏi diện tích bề mặt ma sát đủ lớn. Động cơ này sinh nhiệt cao khi hoạt động, yêu cầu hệ thống tản nhiệt hiệu quả qua rãnh thông gió trên đĩa ma sát. Vấn đề chính bao gồm: lựa chọn vật liệu ma sát chịu nhiệt (hệ số ma sát ổn định ở 200°C), thiết kế lò xo màng đảm bảo lực ép đều, và tối ưu hóa dẫn động thủy lực để giảm lực tác dụng lên bàn đạp (≤ 100N).

2.1. Đánh giá hệ thống ly hợp hiện hữu

Toyota Vios 2020 sử dụng ly hợp ma sát khô một đĩa lò xo màng sản xuất theo tiêu chuẩn JASO. Đĩa ma sát có đường kính 200mm, vật liệu amiăng cải tiến chịu nhiệt tốt. Hệ thống dẫn động thủy lực tiêu chuẩn với trợ lực chân không giúp giảm 30% lực đạp bàn đạp so với dẫn động cơ khí. Tuy nhiên, sau 100.000 km, hiện tượng trượt ly hợp xuất hiện do mòn đĩa ma sát, gây tiêu hao nhiên liệu và giảm công suất.

2.2. Yêu cầu kỹ thuật nâng cao

Đồ án đề xuất cải tiến vật liệu ma sát (thay thế amiăng bằng vật liệu không amiăng chịu mài mòn gấp 2 lần), tăng cường tản nhiệt bằng rãnh hình xoắn ốc trên đĩa ma sát, và tối ưu hóa lò xo màng để tăng tuổi thọ lên 150.000 km. Yêu cầu lực đạp bàn đạp không vượt quá 80N, mô men ma sát đạt 160Nm (dự phòng 15%), và khả năng chịu nhiệt độ lên tới 300°C trong 30 giây khi trượt.

III. Phương pháp thiết kế ly hợp dựa trên Toyota Vios 2020

Phương pháp thiết kế kết hợp phân tích lý thuyết và mô phỏng kỹ thuật. Trước tiên xác định mô men ma sát cần thiết (160Nm) dựa trên mô men động cơ và hệ số an toàn 1.15. Tiếp theo tính toán kích thước đĩa ma sát (đường kính 210mm, dày 3.5mm) và số lượng đĩa ma sát (1 đĩa). Lựa chọn vật liệu ma sát có hệ số ma sát 0.35, chịu nhiệt 250°C. Thiết kế lò xo màng với đường kính ngoài 250mm, độ dày 3mm, lực ép 4500N. Hệ thống dẫn động thủy lực sử dụng xy lanh chính có đường kính 19mm, xy lanh công tác 25mm.

3.1. Tính toán mô men ma sát

Mô men ma sát cần thiết (Mms) được tính bằng công thức Mms = β.Me.max, trong đó β là hệ số dự trữ (1.15), Me.max là mô men cực đại động cơ (140Nm). Với β = 1.15, Mms = 161Nm. Diện tích bề mặt ma sát (A) xác định bởi A = Mms/(μ.p), với μ = 0.35 (hệ số ma sát), p = 0.25 MPa (áp suất phân bố). Kết quả A = 183 cm², tương ứng đường kính đĩa ma sát 210mm. Kiểm tra áp suất phân bố p = 0.23 MPa < 0.3 MPa (giới hạn cho phép).

3.2. Thiết kế lò xo màng

Lò xo màng chọn vật liệu thép lò xo 65T, đường kính ngoài De = 250mm, đường kính trong Di = 150mm, độ dày δ = 3mm. Độ võng λ = 3.5mm khi lực ép 4500N. Tính toán ứng suất uốn σ = 1200 MPa < [σ] = 1500 MPa. Đặc tính phi tuyến của lò xo màng giúp giảm lực điều khiển khi đĩa ma sát mòn. Lực ép ban đầu 4500N giảm còn 3800N khi đĩa ma sát mòn 2mm, đảm bảo truyền lực ổn định trong suốt vòng đời.

IV. Kết luận và ứng dụng thiết kế ly hợp

Đồ án đã hoàn thành thiết kế ly hợp ma sát khô một đĩa lò xo màng cho xe Toyota Vios 2020, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật và an toàn vận hành. Thiết kế đạt mô men ma sát 161Nm, lực đạp bàn đạp 75N, tuổi thọ 150.000 km, chịu nhiệt độ 300°C trong 30 giây. Vật liệu ma sát không amiăng thân thiện môi trường, giảm 40% hạt mài so với vật liệu truyền thống. Hệ thống dẫn động thủy lực tối ưu hóa lực điều khiển, nâng cao trải nghiệm người lái.

4.1. Kết quả đạt được

Thiết kế đạt các thông số kỹ thuật: đường kính đĩa ma sát 210mm, áp suất phân bố 0.23 MPa, lực ép lò xo màng 4500N. Kiểm tra bền vỏ ly hợp (thép SS400) chịu áp suất 0.35 MPa. Thử nghiệm mô phỏng trên phần mềm ANSYS xác nhận độ võng đĩa ép dưới 0.15mm ở mô men 180Nm. Đĩa ma sát vật liệu FKM (cao su flo) có hệ số ma sát 0.37, chịu nhiệt 280°C, độ mòn 0.02mm/1000 km.

4.2. Hướng ứng dụng thực tế

Thiết kế có thể ứng dụng sản xuất loạt cho Toyota Vios 2020 tại Việt Nam, thay thế nhập khẩu. Quá trình sản xuất yêu cầu dập vỏ ly hợp bằng thép tấm dày 2.5mm, lò xo màng gia công CNC chính xác. Chi phí sản xuất ước tính 1.2 triệu đồng/chi tiết, tiết kiệm 30% so với nhập khẩu. Hướng dẫn bảo dưỡng: kiểm tra đĩa ma sát định kỳ 20.000 km, thay thế khi mòn quá 3mm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ LY HỢP Ô TÔ 1. Những vấn đề chung về ly hợp 1.2 Công dụng Ly hợp là một cụm quan trọng trong hệ thống truyền lực, là bộ phận liên kết giữa động cơ và hệ thống tuyền lực, thực hiện nhiệm vụ: Nối mô men truyền từ bánh đà động cơ tới hệ thống truyền lực. Khi gài số hoặc chuyển số, ly hợp ngắt tạm thời dòng truyền, sau đó nối lại để ô tô khởi hành và chuyển số êm dịu. Đóng vai trò là cơ cấu an toàn bảo vệ toàn bộ hệ thống truyền lực trước tác động của sự thay đổi tải trọng (tải trọng động) xuất hiện ở các chế độ quá độ, khi chuyển động trên các loại đường phức tạp, hoặc khi phanh đột ngột mà ly hợp đang được nối.

Phân loại a) Theo phương pháp truyền mô men: Mô men truyền từ trục khuỷu động cơ đến hệ thống truyền lực, ly hợp được chia thành các loại sau: + Ly hợp ma sát. + Ly hợp thủy lực. + Ly hợp điện từ. + Ly hợp liên hợp.

b) Theo trạng thái làm việc: + Ly hợp thường đóng. + Ly hợp thường mở. c) Theo hệ thống dẫn động ly hợp: + Dẫn động cơ khí. + Dẫn động thủy lực.

+ Dẫn động có trợ lực (trợ lực khí nén, trợ lực thủy lực và trợ lực chân không). d) Theo dạng lò xo ép: + Lò xo trụ bố trí theo vòng tròn. 6 + Lò xo côn xoắn. Yêu cầu - Ly hợp phải có khả năng truyền hết mô men của động cơ mà không bị trượt ở bất kỳ điều kiện sử dụng nào, muốn vậy momen ma sát sinh ra trong ly hợp phải lớn hơn momen xoắn của động cơ.

𝑀𝑒 𝑚𝑎𝑥 trong đó: 𝑀1 : Momen ma sát sinh ra trong ly hợp (N.m); 𝑀𝑒 𝑚𝑎𝑥 : Momen xoắn lớn nhất của động cơ (N.m); 𝛽 : Hệ số dự trữ của ly hợp (phải lớn hơn 1). - Khi nối (đóng) li hợp phải êm dịu để tăng từ từ momen xoắn lên trục của hệ thống truyền lực, không gây va đập và các bánh răng khi vào số, lúc ô tô khởi hành không bị giật, người lái, hành khách đỡ mệt, hàng hóa không bị xô, đổ vỡ… - Li hợp tách (mở) phải dứt khoát và nhanh chóng sẽ cắt truyền lực từ động cơ xuống hệ thống truyền lực, giúp cho việc gài số được dễ dàng. Momen quán tính của phần bị động phải nhỏ (có khối lượng bé) để nhanh chóng dừng lại khi mở li hợp. - Đảm bảo cho hệ thống truyền lực không chịu những lực quá tải lớn, đột ngột nó làm nhiệm vụ của bộ phận an toàn (li hợp trượt) nên hệ số 𝛽 phải nằm trong giới hạn phù hợp.

- Đảm bảo các bề mặt ma sát phải thoát nhiệt tốt, để li hợp tách dứt khoát. Kết cấu ly hợp đơn giản, dễ điều chỉnh chăm sóc và bảo dưỡng, giảm giá thành khi bảo dưỡng và sửa chữa li hợp.2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của ly hợp thường gặp 1. Cấu tạo chung Ly hợp ma sát làm việc trên cơ sở truyền momen xoắn thông qua các bề mặt ma sát. Muốn tạo nên lực ma sát, cấu tạo bộ ly hợp phải có bộ phận tạo lực ép (áp lực thẳng đứng) lên các bề mặt ma sát.

Momen ma sát được truyền từ phần chủ động sang phần bị động thông qua chi tiết ma sát. 7 Các bộ phận chính của ly hợp bao gồm: + Phần chủ động: bánh đà, đĩa ép, vỏ ly hợp, các lò xo ép. + Phần bị động: Đĩa bị động cùng với bộ phận giảm chấn và trục ly hợp. Việc điều khiển đóng ngắt ly hợp được thực hiện nhờ các đòn mở và hệ thống dẫn động: ổ bi và bạc mở, các đòn dẫn động và bàn đạp.

Trong trường hợp cần thiết, dẫn động ly hợp được lắp thêm bộ phận trợ lực nhằm giảm lực của người lái tác dụng trên bàn đạp. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của các cụm ly hợp thường gặp 1. Ly hợp ma sát khô một đĩa lò xo màng Hình 1.1:Sơ đồ cấu tạo ly hợp ma sát khô một đĩa lò xo đĩa 1. Vỏ ly hợp; 5.

Lò xo hồi vị bàn đạp; 9. Lò xo giảm chấn. Trục bị động ly hợp. - Đặc điểm: Lò xo ép dạng đĩa có vành trong tựa vào vỏ ly hợp, vành ngoài nối với đĩa ép.

Việc đóng mở được thực hiện nhờ đòn mở, đầu trong của đòn mở có thể tựa vào ổ bi mở, đầu ngoài nối với đĩa ép, điểm tựa giữa đặt trên vỏ ly hợp tạo nên cơ cấu đòn bẩy. - Nguyên lý làm việc : + Trạng thái đóng ly hợp: Bàn đạp ly hợp ở vị trí ban đầu (7) , dưới tác dụng của các lò xo hồi vị (8) bố trí trên ly hợp, đĩa bị động (2) được ép giữa bánh đà 8 (1) và đĩa ép (3) bằng lực của lò xo đĩa, mô men ma sát được tạo nên giữa chúng. Mô men xoắn truyền từ phần chủ động sang phần bị động, qua bề mặt tiếp xúc giữa đĩa bị động với bánh đà và đĩa ép tới trục bị động của ly hợp, sang hộp số. + Trạng thái mở ly hợp: Khi tác dụng lực điều khiển lên bàn đạp, bàn đạp dịch chuyển, đầu trong càng gạt và ổ bi tỳ dịch chuyển sang trái, khắc phục khe hở, ép lò xo ép, kéo đĩa ép dịch chuyển sang phải, tách các bề mặt ma sát của đĩa bị động ra khỏi bánh đà và đĩa ép.

Mô men ma sát giảm và triệt tiêu, ly hợp được mở, thực hiện ngắt mô men truyền từ động cơ tới hộp số. Ở trạng thái mở, lực điều khiển cần thắng lực ép của lò xo ép để dịch chuyển đĩa ép sang phải. - Ưu điểm: Kết cấu đơn giản, kích thước nhỏ gọn, lực ép lên đĩa ép đều, không cần sử dụng chi tiết đòn mở, đặc tính làm việc tốt. Do không có các chi tiết lắp ở vòng ngoài bộ ly hợp nên việc cân bằng tương đối dễ hơn.

- Nhược điểm: Mô men truyền được không lớn, đóng ngắt kém êm dịu - Phạm vi ứng dụng: Hiện nay ly hợp ma sát khô một đĩa lò xo màng thường được sử dụng phổ biến trên xe con, xe du lịch và các ô tô khách. - Sơ đồ truyền lực: Ma sát Đĩa bị Then hoa Trục sơ Bánh đà động cấp Bu lông Ma sát Chi tiết Vỏ ly Đĩa ép hợp truyền lực Hình 1.2: Sơ đồ truyền lực ly hợp ma sát khô 1 đĩa lò xo màng 9 1. Ly hợp ma sát khô một đĩa lò xo trụ nén biên Hình 1.3: Ly hợp ma sát khô một đĩa lò xo trụ nén biên 1. Vỏ ly hợp; 6.

Lò xo hồi vị bàn đạp; 9. Lò xo giảm chấn. - Đặc điểm: Ly hợp thuộc loại thường đóng, ở trạng thái làm việc, đĩa ép (3) dưới tác dụng của lực đàn hồi lò xo ép (5) ép đĩa ma sát (2) vào bề mặt trong của bánh đà. Đĩa ma sát nằm giữa bánh đà và đĩa ép đồng thời nhờ bộ phận liên kết đĩa ép với vỏ ly hợp tạo thành một khối quay cùng với bánh đà (1).

Mô men xoắn được truyền từ bánh đà thông qua đĩa ma sát truyền tới trục sơ cấp của hộp số. - Nguyên lý làm việc : + Khi ly hợp đóng: Các lò xo ép được tựa vào vỏ ly hợp và ép chặt đĩa ép , đĩa bị động vào bề mặt bánh đà. Mô men xoắn truyền từ bánh đà, đĩa ép tới đĩa bị động và trục ly hợp. + Khi mở ly hợp: Bàn đạp được điều khiển đẩy ổ bi tỳ sang trái khắc phục khe hở, sau đó đẩy tiếp đòn mở sang trái.

Đầu ngoài đòm mở dịch chuyển sang phải, kéo đĩa ép và nén cá lò xo ép, tách các bề mặt ma sát ra khỏi nhau. Mô men xoắn không truyền được từ động cơ sang trục bị động. - Ưu điểm: + Kết cấu nhỏ gọn, dễ điều chỉnh và sửa chữa. + Mở dứt khoát 10 + Thoát nhiệt tốt nên đảm bảo tuổi thọ cao cho bộ ly hợp.

- Nhược điểm: + Đóng không êm dịu. + Truyền được mô men không lớn. -Đường truyền công suất: + Bánh đã được liên kết với vỏ ly hợp qua các bulong, vậy nên khi bánh đà dẫn đến vỏ ly hợp quay, vỏ ly hợp truyền momen đến đĩa ép thông qua các thanh truyền lực, nhờ đó đĩa ép được ép vào đĩa bị động, momen được truyền đến trục ly hợp. + Khi ly hợp ở trạng tháo đóng, lò xo ép đẩy đĩa ép và làm cho đĩa bị động bị ép chặt vào bánh đà, nhờ vậy tạo được momen ma sát giữa đĩa ép và bánh đà cho đĩa bị động.

Chính nhờ có momen ma sát này mà momen của động cơ được truyền từ bánh đà và đĩa ép qua đĩa bị động tới trục ly hợp. - Sơ đồ truyền lực : Ma sát Đĩa bị Then hoa Trục sơ Bánh đà động cấp Bu lông Ma sát Chi tiết Vỏ ly Đĩa ép hợp truyền lực Hình 1.4: Sơ đồ truyền lực ly hợp ma sát khô một đĩa lò xo trụ nén biên 11 1. Ly hợp ma sát khô 2 đĩa lò xo trụ nén biên Hình 1.5: Ly hợp ma sát khô 2 đĩa lò xo trụ nén biên 1. Lò xo đĩa ép trung gian; 3.

Đĩa ép trung gian; 4. Bulông hạn chế; 7. Vỏ ly hợp; 9. Trục ly hợp; 11.

Lò xo giảm chấn. - Đặc điểm: Nhìn chung cấu tạo của ly hợp hai đĩa cũng bao gồm các bộ phận và các chi tiết cơ bản như đối với ly hợp một đĩa. Điểm khác biệt là ở ly hợp hai đĩa có hai đĩa bị động số 3 cùng liên kết then hoa với trục ly hợp. Vì có hai đĩa bị động nên ngoài đĩa ép 5 còn có thêm đĩa ép trung gian 3.

Ở ly hợp hai đĩa phải bố trí thêm vít truyền lực để truyền mô men từ vỏ hoặc bánh đà sang đĩa ép và cả đĩa trung gian. - Nguyên lý làm việc : + Trạng thái đóng ly hợp: Lực ép của các lò xo ép chặt các đĩa ép ngoài, đĩa bị động ngoài, đĩa ép trung gian, đĩa bị động trong, bánh đà thành một khối, mô men xoắn được truyền từ động cơ qua phần chủ động, các đĩa bị động, bộ phận giảm chấn, moay ơ, tới trục chủ động của hộp số. + Trạng thái mở ly hợp: Khi tác dụng lực điều khiển lên bàn đạp thông qua thanh kéo , càng mở đẩy ống trượt dịch chuyển sang trái, khắc phục khe hở giữa ổ bi tỳ và đầu trong đòn mở .