I. Tổng quan hệ thống ly hợp ô tô Vai trò và yêu cầu cốt lõi
Hệ thống ly hợp là một cụm chi tiết trung gian, đóng vai trò then chốt trong hệ thống truyền lực xe tải. Chức năng chính của nó là kết nối hoặc ngắt dòng truyền mô-men xoắn từ động cơ đến hộp số một cách chủ động theo sự điều khiển của người lái. Việc ngắt kết nối này là bắt buộc khi xe cần khởi hành, chuyển số, hoặc phanh gấp mà không làm động cơ chết máy. Cụ thể, ly hợp đảm nhận ba nhiệm vụ chính: nối êm dịu trục khuỷu của động cơ với trục sơ cấp của hộp số khi xe bắt đầu di chuyển; ngắt dòng truyền lực một cách nhanh chóng và dứt khoát để việc sang số diễn ra dễ dàng, giảm va đập giữa các bánh răng; và hoạt động như một cơ cấu an toàn, bảo vệ hộp số và các chi tiết khác khỏi tình trạng quá tải đột ngột. Trong điều kiện vận hành khắc nghiệt của xe tải 8 tấn, ly hợp phải đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật nghiêm ngặt. Nó phải có khả năng truyền hết mô-men xoắn ma sát lớn nhất từ động cơ mà không xảy ra hiện tượng trượt, đảm bảo đóng mở êm dịu, dứt khoát. Đồng thời, mô-men quán tính của các chi tiết bị động như đĩa ly hợp phải nhỏ để giảm thiểu lực va đập khi gài số. Khả năng tản nhiệt tốt, kết cấu đơn giản, độ bền cao và dễ dàng trong bảo dưỡng hệ thống ly hợp cũng là những yếu tố không thể thiếu. Việc hiểu rõ những nguyên tắc này là nền tảng cho quá trình tính toán thiết kế ly hợp hiệu quả.
1.1. Phân loại các hệ thống ly hợp ô tô phổ biến hiện nay
Ly hợp trên ô tô được phân loại dựa trên nhiều tiêu chí khác nhau. Theo phương pháp truyền mô-men, có ba loại chính: ly hợp ma sát, ly hợp thủy lực, và ly hợp điện từ. Trong đó, ly hợp ma sát khô là loại được sử dụng phổ biến nhất trên các dòng xe thương mại, bao gồm cả xe tải, nhờ kết cấu đơn giản, hiệu suất truyền lực cao và giá thành hợp lý. Ly hợp thủy lực xe tải và biến mô thủy lực, tuy làm việc êm dịu và giảm tải trọng động, nhưng lại có cấu tạo phức tạp, hiệu suất thấp hơn và chi phí cao hơn. Theo hình dạng chi tiết ma sát, ly hợp được chia thành ly hợp đĩa, ly hợp hình nón và ly hợp hình trống. Theo cơ cấu ép, phổ biến nhất là loại dùng lò xo ép, bao gồm lò xo trụ đặt xung quanh hoặc lò xo đĩa (lò xo màng) ở trung tâm. Cuối cùng, theo trạng thái làm việc, ly hợp thường đóng được sử dụng rộng rãi trên ô tô, nghĩa là ly hợp luôn ở trạng thái kết nối và chỉ ngắt khi có tác động từ người lái.
1.2. 7 Yêu cầu kỹ thuật then chốt đối với ly hợp xe tải nặng
Đối với ly hợp xe tải nặng như xe 8 tấn, các yêu cầu kỹ thuật trở nên khắt khe hơn để đảm bảo hiệu suất và an toàn. Thứ nhất, phải truyền được mô-men xoắn cực đại của động cơ mà không bị trượt. Thứ hai, quá trình đóng ly hợp phải êm dịu, tránh gây giật cục và sốc cho hệ thống truyền lực. Thứ ba, khi mở phải dứt khoát, tách hoàn toàn động cơ khỏi hộp số. Thứ tư, mô-men quán tính của đĩa ly hợp (đĩa ma sát) phải được tối ưu hóa để giảm va đập khi sang số. Thứ năm, ly hợp phải có khả năng tản nhiệt tốt để tránh quá nhiệt khi làm việc liên tục, đặc biệt là khi di chuyển trong đô thị hoặc trên địa hình dốc. Thứ sáu, nó phải hoạt động như một cơ cấu an toàn, bảo vệ hệ thống truyền lực khỏi quá tải. Cuối cùng, kết cấu phải gọn nhẹ, bền bỉ, dễ dàng cho việc sửa chữa bộ ly hợp xe tải và bảo dưỡng định kỳ.
II. Phân tích thách thức khi thiết kế ly hợp cho xe tải 8 tấn
Việc thiết kế một hệ thống ly hợp cho xe tải 8 tấn đặt ra nhiều thách thức kỹ thuật phức tạp, đòi hỏi sự cân bằng giữa hiệu suất, độ bền và chi phí. Thách thức lớn nhất là phải đảm bảo khả năng truyền tải mô-men xoắn ma sát cực đại của động cơ, vốn rất lớn ở các dòng xe tải sử dụng động cơ diesel. Theo tài liệu nghiên cứu, mô-men xoắn của xe tham khảo là Memax = 110 KG.m. Để ly hợp không bị trượt, mô-men ma sát của nó phải lớn hơn giá trị này, thông thường được nhân với một hệ số dự trữ β (từ 1,6 đến 2,25 cho xe tải). Việc chọn β quá lớn sẽ khiến ly hợp không còn là cơ cấu an toàn hiệu quả, trong khi chọn β quá nhỏ sẽ dẫn đến nguy cơ trượt, gây mòn và hỏng hóc. Một thách thức khác là quản lý nhiệt. Quá trình trượt khi đóng ly hợp sinh ra một lượng nhiệt lớn, có thể làm giảm hệ số ma sát của vật liệu làm đĩa ma sát và làm yếu các lò xo ép. Do đó, thiết kế phải tối ưu hóa khả năng tản nhiệt của mâm ép ly hợp (bàn ép) và các chi tiết liên quan. Ngoài ra, việc giảm mô-men quán tính của phần bị động (đĩa ly hợp, trục sơ cấp) cũng là một bài toán khó, vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến sự êm dịu khi sang số và tuổi thọ của hộp số. Cuối cùng, lực điều khiển ly hợp phải đủ nhỏ để người lái không bị mỏi mệt khi vận hành, đòi hỏi một hệ thống dẫn động ly hợp hiệu quả.
2.1. Vấn đề cân bằng giữa hệ số dự trữ và an toàn truyền lực
Hệ số dự trữ β là một thông số quan trọng trong tính toán thiết kế ly hợp. Nó đảm bảo ly hợp có thể truyền hết mô-men động cơ ngay cả khi bề mặt ma sát bị mòn hoặc dính dầu mỡ. Tuy nhiên, một hệ số β quá cao sẽ làm tăng lực ép yêu cầu, dẫn đến kích thước các chi tiết lớn hơn, lực bàn đạp nặng hơn và quan trọng nhất là làm mất đi chức năng bảo vệ của ly hợp. Khi hệ thống truyền lực bị quá tải (ví dụ khi phanh gấp mà không ngắt côn), một ly hợp với β hợp lý sẽ trượt đi, hấp thụ năng lượng và bảo vệ các bánh răng đắt tiền trong hộp số. Đối với xe tải 8 tấn, việc lựa chọn β = 2 được xem là phù hợp, như trong đồ án thiết kế ly hợp tham khảo, nhằm cân bằng giữa khả năng truyền tải và tính năng an toàn.
2.2. Yêu cầu về độ bền vật liệu và khả năng tản nhiệt tối ưu
Vật liệu chế tạo các bộ phận của ly hợp, đặc biệt là vật liệu làm đĩa ma sát, phải chịu được nhiệt độ cao, áp suất lớn và có hệ số ma sát ổn định. Các vật liệu phổ biến như phê-ra-đô (ferodo) kết hợp với các sợi gia cường được ưu tiên lựa chọn. Bề mặt của đĩa ma sát thường có các rãnh xuyên tâm để tăng cường khả năng làm mát và thoát bụi mài mòn. Bánh đà và mâm ép ly hợp đóng vai trò là các tấm tản nhiệt chính. Chúng phải có khối lượng đủ lớn và thiết kế có các cánh tản nhiệt để phân tán nhiệt lượng sinh ra trong quá trình trượt một cách hiệu quả. Nếu nhiệt độ tăng quá cao, các lò xo ép có thể bị yếu đi (ram), làm giảm lực ép và gây trượt ly hợp.
III. Phương pháp lựa chọn kết cấu ly hợp ma sát khô tối ưu nhất
Dựa trên các phân tích về yêu cầu và thách thức, phương án ly hợp ma sát khô, loại thường đóng, sử dụng cơ cấu ép bằng lò xo được lựa chọn cho thiết kế xe tải 8 tấn. Nguyên lý làm việc của ly hợp này dựa trên lực ma sát sinh ra giữa đĩa ly hợp và bánh đà cùng với mâm ép ly hợp (bàn ép). Lựa chọn này được củng cố bởi các ưu điểm vượt trội như kết cấu đơn giản, độ tin cậy cao, dễ bảo dưỡng và hiệu suất truyền lực tốt. Trong các loại lò xo ép, lò xo đĩa (hay lò xo màng) ngày càng được ưa chuộng hơn so với lò xo trụ truyền thống. Lò xo đĩa có đặc tính lực không tuyến tính, giúp lực bàn đạp nhẹ hơn ở cuối hành trình, đồng thời lực ép được phân bổ đều hơn trên bề mặt ma sát, giảm mài mòn không đều. So với ly hợp thủy lực xe tải, ly hợp ma sát khô ngắt truyền động dứt khoát hơn, điều này rất quan trọng cho việc sang số trên các hộp số cơ khí không đồng tốc. Mặc dù ly hợp thủy lực hoạt động êm dịu, nhược điểm về hiệu suất (luôn có độ trượt 2-3%), kết cấu phức tạp và chi phí cao khiến nó ít phù hợp hơn cho các ứng dụng xe tải phổ thông. Do đó, việc tập trung vào tối ưu hóa thiết kế ly hợp ma sát khô hai đĩa là giải pháp khả thi và hiệu quả nhất.
3.1. Phân tích chi tiết cấu tạo ly hợp ô tô loại ma sát khô
Cấu tạo ly hợp ô tô loại ma sát khô bao gồm ba cụm chính: cụm chủ động, cụm bị động và cơ cấu điều khiển. Cụm chủ động gồm bánh đà (lắp trên trục khuỷu), vỏ ly hợp và mâm ép ly hợp. Cụm bị động là đĩa ly hợp (đĩa ma sát), được lắp then hoa trên trục sơ cấp của hộp số. Cơ cấu điều khiển bao gồm cơ cấu ép (lò xo) và cơ cấu mở (bạc đạn chà (vòng bi T), càng gạt, đòn mở). Khi ly hợp đóng, lò xo ép chặt mâm ép vào đĩa ly hợp, kẹp đĩa này vào bánh đà để truyền mô-men. Khi người lái đạp bàn đạp, bạc đạn chà sẽ đẩy vào cơ cấu mở, kéo mâm ép ra sau, giải phóng đĩa ly hợp và ngắt truyền động.
3.2. So sánh và lựa chọn ly hợp 1 đĩa và ly hợp 2 đĩa
Với mô-men xoắn lớn của động cơ xe tải, việc sử dụng ly hợp một đĩa sẽ yêu cầu đường kính đĩa ma sát rất lớn, có thể vượt quá đường kính cho phép của bánh đà. Điều này dẫn đến mô-men quán tính lớn và kết cấu cồng kềnh. Giải pháp được đưa ra là sử dụng ly hợp nhiều đĩa, cụ thể là loại hai đĩa. Ly hợp hai đĩa có hai đĩa ma sát và một đĩa ép trung gian, tạo ra bốn bề mặt ma sát (i=4). Điều này cho phép giảm đường kính tổng thể của ly hợp mà vẫn đảm bảo khả năng truyền mô-men xoắn ma sát cần thiết. Kết quả là một thiết kế nhỏ gọn hơn, mô-men quán tính của phần bị động nhỏ hơn, giúp việc sang số trở nên dễ dàng và êm ái hơn. Đây là lý do chính mà đồ án thiết kế ly hợp lựa chọn phương án hai đĩa cho xe tải 8 tấn.
IV. Hướng dẫn tính toán thiết kế ly hợp xe tải 8 tấn chi tiết
Quá trình tính toán thiết kế ly hợp là bước quan trọng nhất để đảm bảo các thông số kỹ thuật đáp ứng yêu cầu vận hành. Bước đầu tiên là xác định mô-men ma sát cần thiết của ly hợp. Theo công thức Mms = Memax * β, với Memax = 1079,1 N.m và hệ số dự trữ β = 2, mô-men ma sát yêu cầu là Mms = 2158,2 N.m. Từ đó, tiến hành xác định các kích thước hình học cơ bản. Do giới hạn bởi đường kính bánh đà (Dbđ = 365 mm), đường kính ngoài của đĩa ma sát được chọn là D2 = 350 mm. Bán kính trong R1 được chọn là 100 mm. Với các kích thước này, áp suất bề mặt được kiểm tra lại để đảm bảo nằm trong giới hạn cho phép của vật liệu làm đĩa ma sát. Tiếp theo, công trượt sinh ra trong quá trình khởi hành được tính toán để đánh giá mức độ mài mòn và nhiệt độ. Theo công thức kinh nghiệm, công trượt riêng lo được xác định và so sánh với giá trị cho phép ([lo]). Kết quả cho thấy thiết kế thỏa mãn điều kiện độ bền mòn. Cuối cùng, nhiệt độ tăng của các chi tiết như đĩa ép trung gian được kiểm tra để đảm bảo chúng không bị quá nhiệt, ảnh hưởng đến độ bền và hiệu suất làm việc. Quá trình này có thể được hỗ trợ bằng các công cụ mô phỏng ly hợp trên phần mềm để có kết quả chính xác hơn.
4.1. Công thức xác định lực ép và kích thước cơ bản đĩa ly hợp
Lực ép tổng cộng của lò xo (PΣ) được xác định dựa trên mô-men ma sát yêu cầu Mms, hệ số ma sát μ, số đôi bề mặt ma sát i, và bán kính ma sát trung bình Rtb. Công thức tính là PΣ = Mms / (i * μ * Rtb). Với thiết kế ly hợp hai đĩa, i=4. Hệ số ma sát μ thường được chọn khoảng 0,3 đối với vật liệu phê-ra-đô. Từ lực ép này, áp suất trên bề mặt ma sát (q) được tính bằng q = PΣ / F (với F là tổng diện tích bề mặt ma sát) và phải nhỏ hơn áp suất cho phép [q] (khoảng 200 kN/m²). Những tính toán này đảm bảo đĩa ly hợp và mâm ép ly hợp có đủ độ bền và hiệu quả.
4.2. Tính toán và kiểm tra độ bền của cơ cấu giảm chấn xoắn
Bộ phận giảm chấn xoắn, bao gồm các lò xo nhỏ đặt trên may-ơ của đĩa ma sát, có nhiệm vụ dập tắt các dao động xoắn trong hệ thống truyền lực. Mô-men cực đại mà bộ giảm chấn cần chịu được tính toán dựa trên trọng lượng bám và các tỉ số truyền. Từ đó, lực tác dụng lên mỗi lò xo giảm chấn được xác định để lựa chọn loại lò xo phù hợp. Các thông số như độ cứng lò xo (K), đường kính dây (d'), đường kính trung bình vòng lò xo (D') và số vòng làm việc (no) được tính toán cẩn thận. Ứng suất xoắn trong lò xo được kiểm tra để đảm bảo không vượt quá giới hạn cho phép của vật liệu (thép 65Γ), đảm bảo bộ phận này hoạt động bền bỉ trong suốt vòng đời của ly hợp.
V. Thiết kế hệ thống dẫn động ly hợp trợ lực khí nén hiệu quả
Để điều khiển một bộ ly hợp có lực ép lớn trên xe tải 8 tấn, một hệ thống dẫn động ly hợp hiệu quả là yếu tố bắt buộc. Lực tác dụng lên bàn đạp nếu chỉ dùng cơ cấu cơ khí đơn thuần sẽ rất lớn (Qbđ ≈ 85 kG), vượt xa tiêu chuẩn cho phép và gây mệt mỏi nghiêm trọng cho người lái. Do đó, việc áp dụng hệ thống trợ lực là cần thiết. Tài liệu gốc đã phân tích bốn phương án: dẫn động cơ khí, dẫn động thủy lực, dẫn động thủy lực trợ lực khí nén, và dẫn động cơ khí trợ lực khí nén. Phương án được lựa chọn là dẫn động cơ khí có trợ lực khí nén. Nguyên lý làm việc của ly hợp và hệ thống dẫn động này là sự kết hợp giữa liên kết cơ khí trực tiếp và một xi lanh trợ lực sử dụng khí nén từ hệ thống phanh của xe. Ưu điểm của phương án này là độ tin cậy cao; ngay cả khi hệ thống trợ lực khí nén gặp sự cố, người lái vẫn có thể điều khiển ly hợp thông qua hệ thống cơ khí (dù sẽ nặng hơn). Nó cũng duy trì được cảm giác bàn đạp tốt hơn so với hệ thống thủy lực thuần túy. Lực bàn đạp sau khi có trợ lực được tính toán để nằm trong khoảng cho phép (Qbđ = 20 kG), đảm bảo sự thoải mái và an toàn khi vận hành.
5.1. So sánh các phương án dẫn động Cơ khí thủy lực và trợ lực
Dẫn động cơ khí có ưu điểm là kết cấu đơn giản, rẻ tiền và đáng tin cậy nhưng nhược điểm là hiệu suất thấp và lực bàn đạp lớn, khó bố trí trên các cabin kiểu lật. Dẫn động thủy lực sử dụng xi lanh chính ly hợp và xi lanh con ly hợp cho hiệu suất cao, lực bàn đạp nhẹ và dễ lắp đặt, nhưng kết cấu phức tạp, yêu cầu độ kín khít cao và kém tin cậy khi có rò rỉ. Dẫn động có trợ lực (khí nén hoặc chân không) là giải pháp tối ưu cho xe tải nặng, giúp giảm đáng kể lực bàn đạp mà vẫn giữ được các ưu điểm của hệ thống gốc. Phương án trợ lực khí nén đặc biệt phù hợp vì xe tải nặng luôn có sẵn hệ thống máy nén khí.
5.2. Tính toán xi lanh cường hóa và các đòn dẫn động liên quan
Sau khi chọn phương án dẫn động cơ khí trợ lực khí nén, bước tiếp theo là tính toán các thông số của bộ phận trợ lực. Lực cần thiết do bộ phận cường hóa sinh ra (Pc) được xác định bằng cách lấy tổng lực yêu cầu để mở ly hợp trừ đi lực do người lái tác dụng. Dựa vào lực Pc và áp suất khí nén trong hệ thống (pmax), đường kính của xi lanh cường hóa (D) được tính toán theo công thức D = √(4 * Pc / (π * pmax)). Trong đồ án, đường kính xi lanh được tính toán là D = 82 mm và được chọn là D = 110 mm để đảm bảo đủ công suất. Các đòn dẫn động, càng mở ly hợp cũng được kiểm tra bền uốn và bền cắt để đảm bảo chúng chịu được lực tác dụng lớn trong quá trình mở ly hợp.
VI. Quy trình bảo dưỡng và sửa chữa bộ ly hợp xe tải 8 tấn
Để đảm bảo hệ thống ly hợp trên xe tải 8 tấn hoạt động ổn định và có tuổi thọ cao, công tác bảo dưỡng hệ thống ly hợp và sửa chữa kịp thời là vô cùng quan trọng. Bảo dưỡng định kỳ bao gồm kiểm tra và điều chỉnh hành trình tự do của bàn đạp ly hợp, kiểm tra mức dầu trong bình chứa của hệ thống dẫn động thủy lực (nếu có), và kiểm tra sự rò rỉ khí nén ở hệ thống trợ lực. Hành trình tự do của bàn đạp bị giảm là dấu hiệu cho thấy đĩa ma sát đã bị mòn và cần được chú ý. Khi ly hợp có dấu hiệu hư hỏng như trượt (động cơ gầm lên nhưng xe không tăng tốc tương ứng), khó vào số, hoặc có tiếng kêu lạ từ bạc đạn chà, cần tiến hành kiểm tra và sửa chữa bộ ly hợp xe tải. Việc sửa chữa thường bao gồm thay thế các chi tiết bị mòn như đĩa ly hợp, mâm ép ly hợp và bạc đạn chà (vòng bi T). Thực hiện đúng quy trình tháo lắp ly hợp là yếu tố quyết định đến chất lượng sửa chữa, đảm bảo các chi tiết được lắp đúng vị trí và lực siết bu lông theo tiêu chuẩn nhà sản xuất.
6.1. Hướng dẫn quy trình tháo lắp ly hợp xe tải an toàn
Quy trình tháo lắp ly hợp đòi hỏi sự cẩn thận và các dụng cụ chuyên dụng. Quy trình bắt đầu bằng việc hạ hộp số ra khỏi xe. Sau đó, tháo các bu lông bắt vỏ ly hợp vào bánh đà theo thứ tự chéo và từ từ để tránh làm cong vênh mâm ép ly hợp. Sau khi tháo vỏ, có thể lấy mâm ép và đĩa ly hợp ra ngoài. Khi lắp lại, cần sử dụng một trục định tâm để căn chỉnh đĩa ly hợp đồng tâm với bạc đạn dẫn hướng trên trục khuỷu. Việc này đảm bảo trục sơ cấp hộp số có thể lắp vào dễ dàng. Các bu lông vỏ ly hợp phải được siết đều và đúng lực quy định. Cuối cùng, sau khi lắp hộp số, cần điều chỉnh lại hành trình tự do của bàn đạp ly hợp.
6.2. Các dấu hiệu hư hỏng và phương pháp sửa chữa phổ biến
Các hư hỏng thường gặp ở bộ ly hợp xe tải bao gồm: mòn đĩa ma sát, yếu hoặc gãy lò xo đĩa trên mâm ép, hỏng bạc đạn chà, và cong vênh bề mặt bánh đà hoặc mâm ép. Hiện tượng ly hợp trượt thường do đĩa ma sát mòn quá giới hạn hoặc dính dầu mỡ. Khắc phục bằng cách thay đĩa mới và làm sạch các bề mặt. Ly hợp ngắt không hoàn toàn (gây khó vào số) có thể do hành trình bàn đạp không đủ, cong vênh đĩa ma sát hoặc hỏng hệ thống dẫn động (xi lanh chính ly hợp, xi lanh con ly hợp). Việc sửa chữa bộ ly hợp cần được thực hiện bởi kỹ thuật viên có kinh nghiệm để chẩn đoán chính xác nguyên nhân và thay thế đúng bộ phận hư hỏng.
