Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật và ngành công nghiệp chế tạo ô tô trong những thập kỷ gần đây đã cho ra đời nhiều dòng ô tô hiện đại nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của xã hội và các ngành kinh tế. Tại Việt Nam, ngành công nghiệp ô tô đang trên đà phát triển mạnh mẽ, đòi hỏi đội ngũ kỹ sư phải không ngừng nâng cao trình độ chuyên môn, nắm vững kỹ thuật để làm chủ công nghệ thực tế. Hệ thống truyền lực là một trong những cụm chi tiết - tổng thành cốt lõi trên xe ô tô, trực tiếp chịu tải trọng phức tạp từ điều kiện mặt đường, địa hình, nhiệt độ và môi trường khí hậu. Việc nghiên cứu thấu đáo cấu tạo, nguyên lý làm việc cũng như nắm vững phương pháp tính toán, quy trình vận hành, tháo lắp điều chỉnh, kiểm tra và bảo dưỡng sửa chữa hệ thống truyền lực là yêu cầu thiết thực nhằm nâng cao tuổi thọ xe, duy trì tính năng động lực học và giảm mệt mỏi cho người điều khiển.

Đồ án tập trung giải quyết các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu sau:

  1. Tổng quan hóa lý thuyết về hệ thống truyền lực trên ô tô, phân loại các kiểu bố trí hệ thống truyền lực và các cụm thành phần chính bao gồm ly hợp, hộp số, trục các đăng, truyền lực chính và bộ vi sai.
  2. Phân tích chi tiết sơ đồ cấu tạo, nguyên lý làm việc và thông số kỹ thuật của hệ thống truyền lực trên dòng xe khảo sát Toyota Fortuner 2015 (phiên bản 2.5G MT).
  3. Đi sâu phân tích kết cấu và đặc tính cơ khí của cụm ly hợp ma sát khô một đĩa lò xo màng dẫn động thủy lực trợ lực chân không.
  4. Xây dựng quy trình tháo lắp kỹ thuật cho các cụm chính (ly hợp, hộp số, cầu chủ động) và tổng hợp bảng chẩn đoán các dạng hư hỏng thường gặp, nguyên nhân cùng biện pháp khắc phục.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đồ án:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống truyền lực cơ khí trên xe ô tô du lịch 7 chỗ Toyota Fortuner phiên bản 2.5G sản xuất năm 2015, trang bị hộp số tay 5 cấp và động cơ Diesel 2KD-FTV VNT.
  • Phạm vi không gian và kết cấu: Khảo sát các cụm truyền động từ sau trục khuỷu động cơ đến các bánh xe chủ động phía sau (bố trí FR - động cơ đặt trước, cầu sau chủ động), tập trung vào cụm ly hợp, hộp số cơ khí 5 cấp 3 trục dọc, truyền lực chính một cấp bánh răng trụ răng nghiêng và bộ vi sai bánh răng côn.
  • Phạm vi nội dung kỹ thuật: Giới hạn trong việc phân tích sơ đồ kết cấu, nguyên lý động học, vật liệu chế tạo, quy trình công nghệ tháo lắp và kiểm tra sửa chữa hư hỏng cơ khí - thủy lực theo tài liệu kỹ thuật của hãng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đồ án dựa trên nguyên lý động lực học và kết cấu ô tô truyền thống, cụ thể là hệ thống truyền lực cơ khí có cấp điều khiển bằng tay (Manual Transmission - MT). Hệ thống này tiếp nhận mô men xoắn từ trục khuỷu động cơ, biến đổi độ lớn mô men và tốc độ quay thông qua các tỷ số truyền của hộp số và truyền lực chính, sau đó phân phối mô men tới hai bánh xe chủ động thông qua cụm vi sai và các bán trục. Cơ sở phân loại và đánh giá dựa trên các tiêu chuẩn kỹ thuật về tính năng cơ lý của vật liệu (độ cứng thép hợp kim đạt 58 - 62 HRC trên trục bị động), yêu cầu đóng ngắt êm dịu của ly hợp và khả năng đồng tốc gài số không gây va đập bánh răng.

Phương pháp nghiên cứu được tác giả sử dụng bao gồm:

  • Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết: Hệ thống hóa tài liệu chuyên ngành cơ khí động lực về các phương án bố trí hệ thống truyền lực (FF, FR), nguyên lý hoạt động của ly hợp lò xo màng, hộp số cơ khí có cấp và cơ cấu đồng tốc kiểu khóa hãm.
  • Phương pháp mô hình hóa và phân tích sơ đồ động học: Khảo sát sơ đồ nguyên lý truyền lực, đường truyền công suất ở từng cấp số tiến, số lùi và cơ chế phân phối mô men của bộ vi sai bánh răng côn khi xe chạy thẳng hoặc quay vòng.
  • Phương pháp phân tích kết cấu chi tiết: Đánh giá thông số hình học, vật liệu chế tạo và chức năng cơ khí của các chi tiết điển hình như đĩa ma sát, đĩa ép, lò xo màng, xi lanh chính, xi lanh công tác, moay-ơ và vành đồng tốc.
  • Phương pháp tổng hợp quy trình công nghệ sửa chữa: Đúc kết các bước tháo lắp theo trình tự kỹ thuật tiêu chuẩn và xây dựng cây chẩn đoán hư hỏng dựa trên các biểu hiện hoạt động bất thường của hệ thống.

Nguồn dữ liệu trong nghiên cứu: Dữ liệu nghiên cứu được trích xuất trực tiếp từ hồ sơ thông số kỹ thuật xe Toyota Fortuner 2.5G 2015, bản vẽ sơ đồ động học, tài liệu hướng dẫn bảo dưỡng sửa chữa của hãng sản xuất Toyota và các giáo trình chuyên ngành kỹ thuật ô tô của Khoa Công nghệ Ô tô - Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan về hệ thống truyền lực trên xe ô tô

Chương này trình bày toàn diện các khái niệm nền tảng về hệ thống truyền lực (HTTL) ô tô:

  • Công dụng và phân loại HTTL: HTTL có nhiệm vụ truyền chuyển động, lực hoặc mô men xoắn từ động cơ đến các bánh xe chủ động với trị số biến đổi tùy theo chế độ làm việc. Văn bản phân loại HTTL theo hình thức truyền năng lượng (cơ khí, cơ khí thủy lực, điện, thủy lực, liên hợp); theo đặc điểm biến đổi số truyền (truyền lực có cấp với các tỷ số truyền cố định dạng bậc thang, truyền lực vô cấp biến đổi liên tục); theo phương pháp điều khiển (cần số MT, bán tự động, tự động AT).
  • Các kiểu bố trí chung: Phân tích ưu nhược điểm giữa hai phương án bố trí dẫn động phổ biến. Kiểu FF (động cơ đặt trước - dẫn động bánh trước) có kết cấu gọn nhẹ, không dùng trục các đăng, giảm chi phí, tăng độ bám đường và không gian buồng lái. Kiểu FR (động cơ đặt trước - dẫn động bánh sau) tuy có hệ thống truyền động cồng kềnh hơn nhưng có khả năng tăng tốc tốt và giải phóng bánh trước khỏi nhiệm vụ dẫn động.
  • Tổng quan cụm ly hợp: Nêu công dụng ngắt/nối mô men xoắn, dập tắt dao động xoắn cộng hưởng và đóng vai trò cơ cấu an toàn chống quá tải. Phân loại ly hợp theo cách truyền mô men (điện từ, thủy lực, ma sát), cách tạo lực ép (lò xo côn xoắn, lò xo đĩa, lò xo trụ), trạng thái làm việc (thường đóng, thường mở) và phương pháp dẫn động (cơ khí, cơ khí trợ lực khí nén, thủy lực, trợ lực chân không). Giới thiệu đặc tính của ly hợp ma sát khô một đĩa lò xo màng, phù hợp cho động cơ công suất dưới 200 kW (trong văn bản ghi 200w).
  • Tổng quan hộp số, trục các đăng và vi sai: Trình bày công dụng thay đổi lực kéo, vận tốc, chiều chuyển động và cắt truyền động. Trục các đăng đảm nhận truyền mô men giữa các cụm cố định và di động tương đối, phân loại thành các đăng cứng/mềm, đồng tốc/khác tốc. Bộ vi sai bánh răng côn đảm bảo phân phối vận tốc góc khác nhau cho hai bánh xe chủ động khi vào đường vòng hoặc đường không bằng phẳng.

Chương 2. Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm việc của HTTL trên xe

Chương 2 tập trung vào đối tượng nghiên cứu thực tế là xe Toyota Fortuner 2.5G 2015 trang bị hộp số sàn:

  • Thông số kỹ thuật tổng thể của xe Toyota Fortuner 2.5G 2015 (MT):
STT Thông số kỹ thuật Giá trị Đơn vị
1 Kích thước bao (Dài x Rộng x Cao) 4746 x 1848 x 1850 mm
2 Chiều dài cơ sở 2750 mm
3 Khoảng sáng gầm xe 220 mm
4 Bán kính quay vòng tối thiểu 5.9 m
5 Trọng lượng không tải 1800 kg
6 Trọng lượng toàn tải 2380 kg
7 Dung tích bình nhiên liệu 65 L
8 Mã động cơ 2KD-FTV VNT -
9 Loại động cơ Diesel 4 xi lanh thẳng hàng, DOHC, common rail, turbo biến thiên -
10 Dung tích công tác 2494 cc
11 Công suất tối đa 106 (142) / 3400 kW (HP) / rpm
12 Mô men xoắn tối đa 343 / 1600 N.m / rpm
13 Vận tốc tối đa 160 km/h
14 Tỷ số truyền $I_0 = 3,583$; $I_{h1} = 4,784$ -
15 Hệ thống treo trước / sau Độc lập tay đòn kép / Liên kết 4 điểm -
16 Kích thước lốp xe 265/65R17 -
  • Kết cấu và sơ đồ động học hộp số Toyota Fortuner: Hộp số cơ khí 5 cấp số tiến, 1 số lùi, 3 trục dọc. Trục sơ cấp mang bánh răng chủ động số 1, số 2 cố định; trục thứ cấp mang bánh răng bị động số 1, số 2 quay trơn và các bánh răng số 3, 4, 5 cố định. Hộp số bố trí 3 ống gài đồng tốc và 1 bánh răng số lùi di trượt trên trục số lùi.
  • Phân tích chi tiết điển hình hộp số:
    • Trục chủ động và trục bị động: Trục bị động chế tạo từ thép hợp kim dạng trụ bậc, nhiệt luyện đạt độ cứng 58 - 62 HRC. Tâm trục có lỗ khoan dọc và các lỗ hướng kính dẫn dầu bôi trơn từ bơm dầu tới các bánh răng. Bánh răng chế tạo dạng răng nghiêng thân khai để tăng độ êm và độ bền; lực chiều trục sinh ra được khử bằng ổ bi cầu bố trí ở đầu ngoài trục.
    • Cơ cấu đồng tốc kiểu khóa hãm: Phân tích 3 giai đoạn làm việc gồm: Giai đoạn 1 (bắt đầu đồng tốc - khóa hãm tì vào vành đồng tốc ép sát mặt côn bánh răng), Giai đoạn 2 (quá trình đồng tốc - lực gạt tăng lên, then ống trượt và vấu vành đồng tốc tì sát làm đồng đều tốc độ góc), Giai đoạn 3 (đồng tốc hoàn toàn - tốc độ bằng nhau, then trong ống trượt trượt qua vấu hãm ăn khớp vào then hoa bánh răng số).
    • Cơ cấu chuyển số: Cơ cấu dẫn động gián tiếp thông qua 2 đường dây cáp điều khiển trục cần chọn và chuyển số.
  • Truyền lực chính và bộ vi sai: Truyền lực chính 1 cấp sử dụng cặp bánh răng trụ răng nghiêng. Bộ vi sai bánh răng côn hành tinh gồm 2 bánh răng bán trục liên kết then hoa với bán trục, 2 bánh răng hành tinh ăn khớp và quay trên trục chữ thập/trục vi sai đặt trong vỏ hộp vi sai. Phân tích rõ sự phân bố vận tốc góc khi chuyển động thẳng (bánh răng hành tinh không quay quanh trục riêng) và khi vào cua (bánh răng hành tinh vừa quay quanh đường tâm bán trục vừa tự xoay quanh trục của nó).

Chương 3. Phân tích kết cấu ly hợp

Chương 3 đi sâu khảo sát cụ thể cụm ly hợp trên xe Toyota Fortuner 2015:

  • Đặc điểm tổng thể: Ly hợp ma sát khô một đĩa, lò xo màng (lò xo đĩa côn), điều khiển dẫn động bằng thủy lực kết hợp trợ lực chân không. Xe có trang bị công tắc ngắt ly hợp nhằm ngăn khởi động động cơ khi chưa ngắt ly hợp.
  • Phân tích chi tiết các thành phần cơ khí:
    • Bánh đà: Dạng đĩa mỏng có mô men quán tính nhỏ, làm bằng gang xám hoặc thép ít cacbon, bắt chặt vào đuôi trục khuỷu bằng bu lông và có dấu định vị điểm chết trên của piston số 1.
    • Đĩa ma sát (đĩa bị động): Gồm xương đĩa có biên dạng hơi cong tạo độ đàn hồi dọc trục, hai tấm ma sát chịu nhiệt xẻ rãnh thoát nhiệt/bụi gắn bằng đinh tán vật liệu mềm. Độ sâu từ bề mặt ma sát đến đầu đinh tán đạt tiêu chuẩn 1.1 mm. Đĩa tích hợp bộ phận giảm chấn xoắn gồm 5 lò xo lắp tiếp tuyến trong các lỗ khoét của moay-ơ.
    • Đĩa ép: Chế tạo bằng gang dẫn nhiệt tốt, mặt ép phẳng, độ dày tấm đạt từ 23 đến 24 mm.
    • Lò xo màng: Làm từ lá thép lò xo, xẻ các rãnh hướng tâm kết thúc bằng lỗ tròn, đầu trong mài lõm tạo rãnh tì với ổ bi mở ly hợp.
    • Vỏ ly hợp: Chế tạo bằng thép dập hoặc gang đúc có lỗ thông gió tản nhiệt, bắt cố định vào bánh đà.
  • Hệ thống dẫn động thủy lực: Gồm bàn đạp ly hợp (hành trình tự do quy định từ 7 đến 9 mm), xi lanh chính (hành trình piston tối đa 31 mm, đường kính nhỏ tăng áp lực dầu), xi lanh công tác (trang bị vít xả khí, phân loại thành dạng tự động điều chỉnh khe hở bằng lò xo bên trong và dạng điều chỉnh chiều dài cần đẩy bằng tay).

Chương 4. Quy trình tháo lắp hệ thống truyền lực, kiểm tra, sửa chữa hư hỏng thường gặp

Chương 4 thiết lập hướng dẫn thực hành kỹ thuật sửa chữa:

  • Hư hỏng thường gặp của cụm ly hợp: Trình bày nguyên nhân và biện pháp xử lý cho 7 hiện tượng chính: (1) Ly hợp bị trượt khi làm việc; (2) Ly hợp ngắt không hoàn toàn; (3) Ly hợp đóng đột ngột; (4) Ly hợp phát ra tiếng kêu; (5) Chấn rung bàn đạp ly hợp; (6) Động cơ bị rung giật mạnh khi nhả bàn đạp; (7) Không mở được ly hợp.
  • Quy trình tháo lắp và sửa chữa hộp số: Trình bày quy trình tháo rời từng cụm chi tiết hộp số 5 cấp, kiểm tra khe hở và độ mòn của vành đồng tốc, then hoa, bánh răng, vòng bi, cùng các biện pháp khắc phục tình trạng kẹt số, nhảy số, ồn hộp số.
  • Quy trình tháo lắp và sửa chữa cầu chủ động: Trình bày các bước tháo lắp bộ truyền lực chính và vi sai trên xe Toyota Fortuner, kiểm tra độ rơ ăn khớp bánh răng, điều chỉnh khe hở và khắc phục các hư hỏng gây tiếng hú, rò rỉ dầu tại cầu sau.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã hoàn thành việc mô tả và phân tích có hệ thống toàn bộ hệ thống truyền lực trên dòng xe Toyota Fortuner 2.5G 2015. Kết quả đạt được gắn liền với các số liệu kỹ thuật chính xác:

  • Làm rõ cấu hình truyền động của mẫu xe SUV 7 chỗ: Sử dụng động cơ Diesel tăng áp biến thiên 2KD-FTV (công suất cực đại 106 kW/142 HP tại 3400 rpm, mô men xoắn 343 Nm tại 1600 rpm), kết hợp hộp số sàn 5 cấp có tỷ số truyền tay số 1 là $I_{h1} = 4,784$ và tỷ số truyền lực chính $I_0 = 3,583$.
  • Xác lập đầy đủ các thông số kích thước và dung sai kiểm tra của cụm ly hợp lò xo màng: Chiều dày đĩa ép 23 - 24 mm, độ sâu đinh tán đĩa ma sát 1.1 mm, cơ cấu giảm chấn 5 lò xo tiếp tuyến, hành trình tự do bàn đạp 7 - 9 mm, hành trình làm việc cực đại của xi lanh chính 31 mm, độ cứng nhiệt luyện trục bị động đạt 58 - 62 HRC.
  • Đóng góp về mặt công nghệ và bảo dưỡng: Tác giả đã tổng hợp thành công các bảng quy trình tháo lắp tiêu chuẩn và bảng phân loại nguyên nhân hư hỏng - biện pháp khắc phục cho cả 3 cụm tổng thành: ly hợp, hộp số cơ khí và cầu chủ động. Đây là bộ dữ liệu thực tế giúp chuẩn hóa các thao tác bảo dưỡng định kỳ và chẩn đoán pan bệnh trong xưởng thực hành.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án:

  • Nghiên cứu dừng lại ở mức độ khảo sát kết cấu cơ khí, nguyên lý hoạt động và quy trình tháo lắp bảo dưỡng dựa trên tài liệu kỹ thuật có sẵn của dòng xe Toyota Fortuner 2015 phiên bản dẫn động cầu sau 4x2 (MT).
  • Chưa triển khai các phép tính nghiệm bền chi tiết phức tạp chịu tải trọng va đập cao (như độ bền mỏi răng bánh răng, ứng suất uốn lò xo màng) bằng phần mềm mô phỏng phần tử hữu hạn.

Hướng nghiên cứu phát triển:

  • Mở rộng phạm vi nghiên cứu sang hệ thống truyền lực hai cầu chủ động (4x4) trang bị hộp phân phối và các cơ cấu khóa vi sai điện tử trên các phiên bản Fortuner việt dã.
  • Khảo sát các hệ thống truyền lực tự động (AT) hoặc vô cấp (CVT) thế hệ mới có tích hợp các mô-đun điều khiển điện tử thông minh và cảm biến hiện đại.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu chuyên khảo mang tính ứng dụng thực tế cao:

  • Đối tượng thụ hưởng: Sinh viên và giảng viên ngành Kỹ thuật Ô tô, Công nghệ Kỹ thuật Cơ khí Động lực tham khảo làm tài liệu học tập các học phần Lý thuyết Ô tô, Kết cấu Ô tô, Đồ án môn học và Thực tập bảo dưỡng sửa chữa ô tô.
  • Phần nội dung đáng tham khảo nhất:
    • Sơ đồ động học và nguyên lý 3 giai đoạn gài số của bộ đồng tốc kiểu khóa hãm trong Chương 2.
    • Phân tích thông số kết cấu ly hợp lò xo màng và mạch thủy lực dẫn động trong Chương 3.
    • Bảng tổng hợp chẩn đoán 7 hiện tượng hư hỏng ly hợp và quy trình tháo lắp cầu chủ động trong Chương 4.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hệ thống truyền lực trên xe Toyota Fortuner 2015 (bản 2.5G MT) thuộc kiểu bố trí nào và sử dụng loại hộp số gì? Xe Toyota Fortuner 2.5G 2015 sử dụng kiểu bố trí FR (động cơ đặt trước, dẫn động cầu sau 4x2). Hộp số trang bị trên xe là hộp số cơ khí (số sàn) 5 cấp số tiến, 1 số lùi, kết cấu 3 trục dọc xe, sử dụng cơ cấu gài số đồng tốc kiểu khóa hãm và dẫn động chuyển số gián tiếp bằng dây cáp.

  2. Cụm đĩa ma sát ly hợp xe Toyota Fortuner 2015 có cấu tạo và thông số kỹ thuật như thế nào? Đĩa ma sát nằm giữa bánh đà và đĩa ép, moay-ơ có rãnh then hoa di trượt trên trục bị động. Tấm ma sát chịu nhiệt được tán vào xương đĩa bằng đinh tán mềm với độ sâu từ mặt ma sát đến đầu đinh tán là 1.1 mm. Đĩa tích hợp cơ cấu giảm chấn xoắn gồm 5 lò xo bố trí tiếp tuyến trong các lỗ khoét.

  3. Cơ cấu đồng tốc kiểu khóa hãm trong hộp số Fortuner hoạt động qua mấy giai đoạn khi gài số? Cơ cấu đồng tốc hoạt động qua 3 giai đoạn: Giai đoạn 1 (bắt đầu đồng tốc - ống trượt đẩy khóa hãm tì vành đồng tốc vào mặt côn bánh răng); Giai đoạn 2 (quá trình đồng tốc - lực ép tăng cao tạo ma sát làm tốc độ góc của bánh răng và ống trượt bằng nhau); Giai đoạn 3 (đồng tốc hoàn toàn - then hoa ống trượt vượt qua vấu hãm ăn khớp vào then hoa bánh răng số).

  4. Trục bị động của hộp số xe Fortuner yêu cầu độ cứng nhiệt luyện bao nhiêu và được bôi trơn bằng cách nào? Trục bị động làm bằng thép hợp kim dạng trụ bậc, được nhiệt luyện đạt độ cứng 58 - 62 HRC. Trục được bôi trơn thông qua bơm dầu đặt ở tâm trục, dẫn dầu qua lỗ khoan dọc tâm và các lỗ hướng kính dẫn tới từng vị trí bánh răng.

  5. Bàn đạp và xi lanh chính của hệ thống dẫn động ly hợp có thông số hành trình là bao nhiêu? Hành trình tự do của bàn đạp ly hợp trên xe Toyota Fortuner được quy định trong khoảng từ 7 đến 9 mm, trong khi hành trình làm việc lớn nhất của xi lanh chính ly hợp đạt 31 mm.

Kết luận

Đồ án của sinh viên Đoàn Đình Huy đã trình bày chi tiết và hệ thống hóa toàn diện kết cấu, nguyên lý làm việc của hệ thống truyền lực trên xe Toyota Fortuner 2.5G 2015. Công trình phân tích sâu đặc tính kỹ thuật của cụm ly hợp lò xo màng dẫn động thủy lực, sơ đồ động học hộp số 5 cấp 3 trục và bộ truyền vi sai bánh răng côn. Đồng thời, đồ án đã xây dựng quy trình tháo lắp, bảo dưỡng và chẩn đoán hư hỏng thực tế, cung cấp tài liệu tham khảo có giá trị cao cho sinh viên ngành kỹ thuật ô tô.