Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong cơ cấu của hệ thống giao thông vận tải quốc dân, phương thức vận tải hành khách bằng đường bộ đóng vai trò chủ đạo trong việc kết nối liên tỉnh và đô thị. Đáp ứng nhu cầu này đòi hỏi phương tiện vận chuyển phải không ngừng nâng cao chất lượng dịch vụ, thời gian vận hành cũng như bảo đảm tính an toàn và độ bền cơ học. Đối với ngành công nghiệp ô tô Việt Nam, quá trình phát triển đang từng bước chuyển đổi từ nhập khẩu xe nguyên chiếc sang hình thức chế tạo, đóng mới và nội địa hóa linh kiện trong nước nhằm giảm thiểu chi phí vận tải.
Tuy nhiên, thực trạng ngành cơ khí trong nước phần lớn mới chỉ dừng lại ở việc gia công các chi tiết đơn giản; tỷ lệ nội địa hóa vẫn còn thấp so với quy hoạch (mục tiêu đề ra đạt 40% vào năm 2005 và 60% vào năm 2010 đối với các dòng xe thông dụng nhưng thực tế chỉ đạt mức thấp, đơn cử Công ty Cổ phần Ô tô Trường Hải - Thaco chỉ đạt 15–18% ở xe con và 33% ở xe tải nhẹ). Trong phân khúc xe khách từ 24 chỗ ngồi trở lên, năng lực sản xuất trong nước đã ghi nhận mức nội địa hóa từ 45% đến 55%. Đứng trước bối cảnh hội nhập khu vực với việc thuế nhập khẩu xe nguyên chiếc theo Hiệp định Thương mại Hàng hóa ASEAN (ATIGA) giảm về 0% cùng các rào cản kỹ thuật từ Nghị định số 116/2017/NĐ-CP, việc chủ động nghiên cứu và tính toán thiết kế các cụm tổng thành cơ khí cốt lõi—tiêu biểu là cầu chủ động cho xe khách 29 chỗ—là định hướng kỹ thuật phù hợp với năng lực công nghệ thực tế.
Mục tiêu tổng quát của đồ án là vận dụng kiến thức chuyên ngành cơ khí ô tô để tính toán và thiết kế một cụm cầu chủ động hoàn chỉnh, đáp ứng các tiêu chuẩn động lực học và độ bền cho dòng xe khách 29 chỗ. Các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được xác định bao gồm:
- Tổng quan tình hình thực tế của ngành công nghiệp ô tô Việt Nam, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cụm cầu chủ động ô tô.
- Đề xuất các phương án kết cấu khả thi, phân tích ưu nhược điểm và lựa chọn phương án thiết kế tối ưu.
- Tính toán thiết kế kỹ thuật chi tiết cho các cụm bộ phận: truyền lực chính, bộ vi sai, bán trục và dầm cầu.
- Đưa ra các kết luận kỹ thuật và kiến nghị phát triển.
- Đối tượng nghiên cứu: Cụm cầu chủ động dành riêng cho xe khách phân khúc 29 chỗ ngồi.
- Phạm vi nghiên cứu: Giới hạn trong việc phân tích kết cấu và tính toán cơ học các bộ phận chính (truyền lực chính dạng Hypoid, bộ vi sai bánh răng nón đối xứng, bán trục và dầm cầu), dựa trên cơ sở tham chiếu các thông số kỹ thuật của dòng xe khách tiêu biểu Hyundai County và các dòng xe cùng phân khúc đang lưu hành tại Việt Nam.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Khóa luận xây dựng hệ thống cơ sở lý thuyết dựa trên các nguyên lý cơ bản của ngành động lực học và cơ học máy:
- Khung lý thuyết chuyên ngành: Sử dụng các công thức giải tích và nguyên lý tính toán từ môn học Cơ sở thiết kế máy, Cấu tạo ô tô máy kéo, Lý thuyết ô tô máy kéo, và Sức bền vật liệu.
- Mô hình động lực học truyền lực: Mô hình hóa sự truyền mô men xoắn từ động cơ qua ly hợp, hộp số, trục các-đăng đến cụm truyền lực chính, phân phối qua bộ vi sai tới hai bán trục và truyền đến các bánh xe chủ động trong các điều kiện làm việc: kéo cực đại, phanh cực đại, chịu lực trượt ngang cực đại và chịu lực thẳng đứng cực đại.
- Phương pháp nghiên cứu:
- Phương pháp thu thập và kế thừa tài liệu: Kế thừa các sơ đồ kết cấu, tiêu chuẩn chế tạo cơ khí, số liệu thống kê thị trường từ Hiệp hội các nhà sản xuất ô tô Việt Nam (VAMA), Tổng cục Hải quan và các sổ tay hướng dẫn thiết kế ô tô máy kéo.
- Phương pháp tính toán giải tích lý thuyết: Xác định tải trọng tính toán dựa trên mô men cực đại của động cơ kết hợp điều kiện bám của bánh xe với mặt đường; tính toán kích thước hình học bộ truyền Hypoid; kiểm tra độ bền ứng suất tiếp xúc, ứng suất uốn của răng; tính chọn then hoa, ổ lăn và trục chịu tải phức tạp.
- Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thông số kỹ thuật tham chiếu của động cơ, hộp số và tải trọng xe khách 29 chỗ (Hyundai County); bảng tra cứu tiêu chuẩn ổ lăn, vật liệu chế tạo thép hợp kim (15MnNi2TiA, 20CrMnNi) và tiêu chuẩn nhiệt luyện.
Nội dung chính theo từng chương
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Chương này tập trung trình bày thực trạng sản xuất, lắp ráp và thị trường ô tô Việt Nam, đồng thời hệ thống hóa lý thuyết về cụm cầu chủ động:
- Thực trạng ngành công nghiệp ô tô: Phân tích dữ liệu giai đoạn 2016–2018; năm 2016 toàn thị trường đạt kỷ lục 304.427 xe, năm 2017 đạt 272.750 xe (giảm 10%). Tác động của chính sách thuế suất nhập khẩu nội khối ASEAN 0% và Nghị định 116/2017/NĐ-CP tới thị trường xe lắp ráp (CKD) và xe nhập khẩu nguyên chiếc (CBU). Khái quát xu hướng phát triển phương tiện gồm tự động hóa, kết nối, xe điện và chia sẻ phương tiện.
- Cấu tạo và phân loại cầu chủ động: Khái quát công dụng đỡ trọng lượng phần treo, biến đổi và phân phối mô men xoắn theo phương vuông góc, cho phép hai bánh xe quay với vận tốc khác nhau khi quay vòng hoặc đi vào đường gồ ghề.
- Phân loại các cụm chính:
- Truyền lực chính: Phân loại theo số cặp bánh răng (đơn, kép tập trung, kép phân tán) và theo dạng răng (côn răng thẳng, côn xoắn, Hypoid, trục vít - bánh vít).
- Bộ vi sai: Phân loại theo công dụng (giữa các bánh xe, giữa các cầu), theo tính chất phân phối mô men (đối xứng, không đối xứng) và theo kết cấu (bánh răng côn, bánh răng trụ, cam, trục vít).
- Bán trục: Phân loại theo mức độ giảm tải gồm 4 dạng: không giảm tải, giảm tải $1/2$, giảm tải $3/4$ và giảm tải hoàn toàn.
- Dầm cầu: Phân chia theo công dụng (dẫn hướng, không dẫn hướng) và phương pháp chế tạo (dập - hàn, đúc liền khối, liên hợp).
CHƯƠNG 2: ĐỀ XUẤT, LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
Tác giả xây dựng 3 phương án kết cấu cầu chủ động và phân tích so sánh để chọn ra giải pháp phù hợp:
| Tiêu chí phân tích | Phương án 1: Truyền lực chính đơn, vi sai đối xứng | Phương án 2: Truyền lực chính kép, vi sai đối xứng | Phương án 3: Truyền lực chính đơn, vi sai cam |
|---|---|---|---|
| Đặc điểm kết cấu | 1 cặp bánh răng côn xoắn/Hypoid, vi sai bánh răng nón đối xứng. | 2 cặp bánh răng (1 côn, 1 trụ), vi sai bánh răng nón đối xứng. | 1 cặp bánh răng côn, cơ cấu vi sai dạng vành cam và con trượt. |
| Ưu điểm | Kết cấu nhỏ gọn, hiệu suất truyền động cao, làm việc êm, dễ chế tạo, bảo dưỡng đơn giản, giá thành hợp lý. | Tạo được tỷ số truyền $i_0$ lớn mà không tăng đường kính bánh răng bị động; tăng khoảng sáng gầm xe. | Khả năng chống trượt quay cao, tính cơ động vượt lầy tốt mà không cần khóa vi sai. |
| Nhược điểm | Khả năng chống trượt hạn chế khi một bánh mất bám hoàn toàn. | Kết cấu cồng kềnh, tăng trọng lượng cầu, sửa chữa phức tạp, chi phí sản xuất cao. | Ma sát trong lớn làm tổn hao công suất khi quay vòng, mài mòn nhanh, tuổi thọ thấp. |
Căn cứ vào điều kiện làm việc của xe khách 29 chỗ (chủ yếu vận hành trên đường quốc lộ, liên tỉnh, yêu cầu cao về tính êm dịu, hiệu suất và khả năng gia công trong nước), tác giả lựa chọn Phương án 1: Truyền lực chính đơn dạng Hypoid kết hợp bộ vi sai bánh răng nón đối xứng.
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ KĨ THUẬT
Nội dung chương 3 thực hiện tính toán chi tiết từng chi tiết máy theo các thông số kỹ thuật cho trước:
- Xác định các kích thước bộ truyền Hypoid: Tính toán mô men thiết kế theo số truyền 1 ($M_{tt} = 2210\text{ Nm}$), mô đun mặt mút lớn $m_s = 8,44\text{ mm}$, mô đun pháp tuyến $M_n = 5,6\text{ mm}$, số răng bánh nhỏ $Z_1 = 6$, số răng bánh lớn $Z_2 = 45$, độ dịch trục $E = 50\text{ mm}$.
- Xác định lực tác dụng và kiểm tra bền: Tính toán lực vòng $P$, lực dọc trục $Q = 87930,29\text{ N}$ và lực hướng tâm $R$. Kiểm nghiệm ứng suất uốn chân răng ($\sigma_{1u} = 822\text{ MN/m}^2$, $\sigma_{2u} = 757\text{ MN/m}^2$) và ứng suất tiếp xúc mặt răng ($\sigma_{tx1} = 1408,98\text{ MN/m}^2$), xác nhận vật liệu thép hợp kim thấm carbon đáp ứng điều kiện làm việc.
- Tính toán trục và chọn ổ lăn: Xác định đường kính ngỗng trục tại tiết diện nguy hiểm $d = 67,09\text{ mm}$, quy chuẩn chọn $d = 70\text{ mm}$; chọn ổ đũa côn chịu lực ký hiệu 7313 ($65 \times 33 \times 140\text{ mm}$), ổ đũa trụ ngắn đỡ phụ ký hiệu 307 ($35 \times 21 \times 80\text{ mm}$) và ổ đũa côn 7315.
- Tính toán kích thước vi sai đối xứng: Xác định 4 bánh răng hành tinh ($q = 4$), số răng bánh răng hành tinh $Z_h = 11$, đường kính vòng chia đáy lớn bánh răng bán trục $d_{e2} = 197,31\text{ mm}$, chiều dài đường sinh $L_e = 103,8\text{ mm}$.
- Phân tích các chế độ tải trọng cho bán trục và dầm cầu: Thiết lập sơ đồ và công thức tính toán độ bền dầm cầu ở 4 chế độ tải: lực kéo cực đại, lực phanh cực đại, lực ngang cực đại và lực thẳng đứng cực đại.
Thiết kế và tính toán kỹ thuật
Hệ thống tính toán kỹ thuật của đồ án được triển khai chặt chẽ dựa trên tập thông số đầu vào xác định:
Thông số kỹ thuật ban đầu
- Trọng lượng toàn bộ xe: $G = 8550\text{ kg}$
- Trọng lượng phân bố lên cầu sau (cầu chủ động): $G_2 = 5130\text{ kg}$
- Mô men xoắn cực đại động cơ: $M_{e\max} = 310\text{ Nm}$ tại $n = 1800 - 2000\text{ vòng/phút}$
- Tỷ số truyền truyền lực chính: $i_0 = 7,46$
- Tỷ số truyền tay số 1 của hộp số: $i_{h1} = 7,1$ (các tay số khác: $i_2 = 4,4$; $i_3 = 2,49$; $i_4 = 1,0$; $i_5 = 1,0$)
- Hệ số bám cực đại của lốp với mặt đường: $\varphi_{\max} = 0,8$
- Kích thước lốp xe: $11 - 20$
- Hiệu suất hệ thống truyền lực: $\eta = 0,93$
Bảng thông số hình học bộ truyền lực chính Hypoid
| Thông số hình học | Bánh răng chủ động (Bánh nhỏ) | Bánh răng bị động (Bánh lớn) |
|---|---|---|
| Số răng ($Z$) | $Z_1 = 6$ | $Z_2 = 45$ |
| Mô đun mặt mút lớn ($m_s$) | $8,44\text{ mm}$ | $8,44\text{ mm}$ |
| Mô đun pháp tuyến trung bình ($M_n$) | $5,6\text{ mm}$ | $5,6\text{ mm}$ |
| Chiều dài đường sinh ($L_e$) | $192\text{ mm}$ | $192\text{ mm}$ |
| Chiều dài đường sinh trung bình ($L_m$) | $163\text{ mm}$ | $163\text{ mm}$ |
| Bề rộng vành răng ($b$) | $58\text{ mm}$ | $58\text{ mm}$ |
| Độ dịch trục Hypoid ($E$) | $50\text{ mm}$ | $50\text{ mm}$ |
| Góc ăn khớp ($\alpha$) | $21,5^\circ$ | $21,5^\circ$ |
| Góc nghiêng trung bình đường xoắn ($\beta$) | $\beta_1 = 56,66^\circ$ | $\beta_2 = 39,65^\circ$ |
| Góc côn chia ($\delta$) | $\delta_1 = 7,63^\circ$ | $\delta_2 = 82,37^\circ$ |
| Đường kính vòng chia trung bình ($d$) | $61,13\text{ mm}$ | $357,2\text{ mm}$ |
| Đường kính vòng chia đáy lớn ($d_e$) | $92,14\text{ mm}$ | $493,27\text{ mm}$ |
| Chiều cao đầu răng đáy lớn ($h_a$) | $14,12\text{ mm}$ | $2,68\text{ mm}$ |
| Chiều cao chân răng đáy lớn ($h_f$) | $4,79\text{ mm}$ | $16,3\text{ mm}$ |
| Hướng xoắn của răng | Xoắn trái | Xoắn phải |
Yêu cầu vật liệu và nhiệt luyện
- Vật liệu bánh răng: Thép hợp kim $15\text{MnNi}2\text{TiA}$ hoặc $20\text{CrMnNi}$.
- Chế độ nhiệt luyện: Thấm carbon bề mặt đạt chiều sâu từ $1,5 - 2,0\text{ mm}$, tôi trong dầu để đạt độ cứng bề mặt $59 - 65\text{ HRC}$. Lõi răng duy trì độ cứng $26 - 35\text{ HRC}$ nhằm bảo đảm độ dẻo dai va đập và chịu ứng suất uốn mỏi.
Kết quả và đóng góp
Kết quả chính
- Xác lập được bộ thông số hình học hoàn chỉnh cho cụm truyền lực chính đơn bánh răng Hypoid với tỷ số truyền lớn ($i_0 = 7,46$), bảo đảm khoảng sáng gầm xe và độ êm dịu khi vận hành.
- Kiểm nghiệm ứng suất uốn và ứng suất tiếp xúc của bộ truyền răng nằm trong giới hạn bền cho phép của vật liệu thép hợp kim nhiệt luyện bề mặt.
- Xác định được kết cấu trục chủ động có đường kính ngỗng trục $d = 70\text{ mm}$, khoảng cách hai gối đỡ $L = 400\text{ mm}$, kết hợp cụm ổ đũa côn đỡ chặn (7313, 7315) và ổ đũa trụ ngắn (307) nhằm nâng cao độ cứng vững cho trục bánh răng quả dứa.
- Xác lập kích thước bộ vi sai côn đối xứng gồm 4 bánh răng hành tinh có $Z_h = 11$ răng, ăn khớp với bánh răng bán trục có đường kính đáy lớn $197,31\text{ mm}$, trang bị đệm tỳ lưng bằng đồng có lỗ cấp dầu bôi trơn.
Giải pháp và kiến nghị kỹ thuật
- Áp dụng kết cấu bộ truyền Hypoid có độ dịch trục $E = 50\text{ mm}$ và hướng xoắn trái cho bánh chủ động để triệt tiêu xu hướng kẹt răng khi xe tiến.
- Sử dụng bán trục kiểu giảm tải hoàn toàn hoặc giảm tải $3/4$ kết hợp dầm cầu dạng dập - hàn để giảm thiểu mô men uốn tác dụng trực tiếp lên thân bán trục, chuyển toàn bộ phản lực từ mặt đường lên vỏ dầm cầu.
Đóng góp về mặt học thuật
- Tổng hợp đầy đủ chu trình tính toán giải tích từ xác định tải trọng, tính toán hình học răng côn xoắn lệch trục (Hypoid) đến kiểm tra sức bền trục và chọn ổ lăn cho một mẫu xe khách cụ thể trong điều kiện vận tải thực tế tại Việt Nam.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế: Toàn bộ kết quả thiết kế mới dừng lại ở bước tính toán giải tích lý thuyết trên giấy và tra bảng thông số cơ học tiêu chuẩn; chưa thực hiện mô phỏng số 3D, phân tích ứng suất bằng phần mềm phần tử hữu hạn (FEA) cũng như chưa có điều kiện chế tạo mẫu thử nghiệm thực tế để kiểm tra độ ồn, độ rung (NVH) và độ mòn thực nghiệm.
- Hướng nghiên cứu tiếp:
- Ứng dụng các phần mềm chuyên ngành (như Ansys, SolidWorks Simulation, Romax) để mô phỏng trường ứng suất và phân tích động học, động lực học của cụm cầu dưới các tải trọng xung kích.
- Nghiên cứu tối ưu hóa kết cấu dầm cầu nhằm giảm khối lượng kim loại nhưng vẫn bảo đảm mô men chống uốn, chống xoắn.
- Thử nghiệm độ bền mỏi và nhiệt độ làm việc của dầu bôi trơn trong điều kiện xe chở quá tải hoặc đi đường đèo dốc.
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho:
- Sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ khí: Tham khảo phương pháp tính toán đồ án môn học Thiết kế ô tô, đồ án Cơ sở thiết kế máy và khóa luận tốt nghiệp chuyên ngành động lực.
- Kỹ sư thiết kế cơ khí và cải tạo phương tiện: Nắm bắt quy trình lựa chọn thông số hình học cho bộ truyền răng Hypoid có tỷ số truyền cao ($i_0 > 7$) và các bước kiểm nghiệm độ bền ổ lăn đỡ trục chủ động.
- Phần đáng tham khảo nhất: Bảng tính toán chi tiết thông số hình học bộ truyền lực chính Hypoid (Chương 3) và các sơ đồ phân tích lực, phương pháp xác định tải trọng tính toán theo điều kiện bám của bánh xe.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao tác giả lựa chọn bộ truyền lực chính đơn Hypoid thay vì truyền lực chính kép hay bánh răng côn thông thường?
Trả lời: Do xe khách 29 chỗ yêu cầu không gian gầm xe êm ái, tỷ số truyền cần thiết là $i_0 = 7,46$. Truyền lực chính đơn Hypoid có độ dịch trục ($E = 50\text{ mm}$) giúp các răng ăn khớp trùng thảo êm dịu, chịu tải va đập tốt hơn bánh răng côn thẳng, kết cấu gọn nhẹ hơn truyền lực chính kép và chi phí sản xuất thấp hơn nhiều so với cơ cấu trục vít - bánh vít.
2. Tải trọng tính toán cho cụm truyền lực chính được xác định theo nguyên tắc nào?
Trả lời: Tải trọng tính toán được xác định dựa trên mô men cực đại của động cơ ở tay số 1 ($M_{tt} = M_{e\max} \cdot i_{h1} = 310 \cdot 7,1 = 2210\text{ Nm}$), đồng thời được kiểm tra và giới hạn bởi mô men bám của cầu sau với mặt đường theo công thức $M_{tt} \le \frac{\varphi_{\max} \cdot G_2 \cdot r_{bx}}{i_c \cdot i_0}$.
3. Số lượng bánh răng hành tinh trong bộ vi sai được thiết kế là bao nhiêu và có cấu tạo tỳ lưng như thế nào?
Trả lời: Bộ vi sai đối xứng được thiết kế sử dụng 4 bánh răng hành tinh ($q = 4$) với số răng $Z_h = 11$. Mặt lưng bánh răng hành tinh có dạng chỏm cầu lắp khớp với vỏ vi sai để định tâm, phía sau có bố trí đệm tỳ bằng đồng có lỗ chứa dầu nhằm giảm ma sát mài mòn.
4. Trục bánh răng chủ động sử dụng những loại ổ lăn nào để đỡ và định vị?
Trả lời: Trục bánh răng quả dứa sử dụng kết hợp ổ đũa côn chịu lực hướng tâm và lực dọc trục lớn (ký hiệu 7313 với kích thước $65 \times 33 \times 140\text{ mm}$, ổ đũa côn 7315 ngỗng trục $70\text{ mm}$) cùng với một ổ đũa trụ ngắn (ký hiệu 307 với kích thước $35 \times 21 \times 80\text{ mm}$) đặt ở đầu trục để tăng độ cứng vững chống uốn.
5. Vật liệu và phương pháp nhiệt luyện được chỉ định cho cặp bánh răng truyền lực chính là gì?
Trả lời: Bánh răng được chế tạo từ thép hợp kim chất lượng cao $15\text{MnNi}2\text{TiA}$ hoặc $20\text{CrMnNi}$, bề mặt được thấm carbon đạt độ sâu $1,5 - 2,0\text{ mm}$ rồi tôi trong dầu để đạt độ cứng $59 - 65\text{ HRC}$, trong khi phần lõi duy trì độ cứng $26 - 35\text{ HRC}$.
Kết luận
Khóa luận tốt nghiệp "Thiết kế cầu chủ động xe khách 29 chỗ" của sinh viên Nguyễn Quang Huy đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán thiết kế cơ học cho cụm cầu dẫn động xe khách dựa trên phương án truyền lực chính đơn Hypoid kết hợp vi sai nón đối xứng. Toàn bộ các thông số hình học, chế độ tải trọng và chỉ tiêu bền của bánh răng, trục, ổ lăn và dầm cầu đã được tính toán giải tích rõ ràng theo các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành. Đề tài đóng góp một giải pháp thiết kế khả thi, phù hợp với năng lực công nghệ chế tạo cơ khí trong nước và cung cấp tài liệu tham khảo có giá trị học thuật cho sinh viên, kỹ sư ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô.