Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh nền kinh tế phát triển mạnh mẽ, nhu cầu vận chuyển hàng hóa và hành khách tại Việt Nam ngày càng gia tăng. Theo số liệu thống kê quý III năm 2021 từ “Diễn đàn doanh nghiệp”, vận chuyển đường bộ chiếm tới 74,7% tổng khối lượng vận chuyển hàng hóa và hành khách. Điều này cho thấy vai trò quan trọng của phương tiện ô tô trong hệ thống giao thông vận tải quốc gia. Tuy nhiên, do điều kiện khí hậu, địa hình và chất lượng đường xá chưa đồng đều, nhiều loại xe ô tô chưa đáp ứng tối ưu các yêu cầu về khả năng tăng tốc, truyền và phân phối mômen xoắn, cũng như tính tiện nghi và an toàn khi vận hành.

Xuất phát từ thực trạng trên, luận văn tập trung vào thiết kế cơ cấu truyền lực chính – vi sai trên ô tô con, đồng thời mô phỏng cơ cấu này bằng phần mềm CATIA nhằm nâng cao hiệu quả truyền lực và độ bền của hệ thống. Nghiên cứu được thực hiện dựa trên xe cơ sở Toyota Vios 1.5G 2007, với các thông số kỹ thuật cụ thể như công suất cực đại 1070 N·m, mô men xoắn cực đại 144 Nm, tỷ số truyền lực chính 5,125. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào thiết kế và mô phỏng cơ cấu truyền lực chính – vi sai cho xe con sử dụng động cơ đặt trước, cầu sau chủ động, phù hợp với điều kiện vận hành tại Việt Nam.

Mục tiêu chính của luận văn là thiết kế cơ cấu truyền lực chính – vi sai có kết cấu gọn nhẹ, hiệu suất cao, đảm bảo phân phối mô men xoắn đồng đều giữa các bánh xe chủ động, từ đó nâng cao tính ổn định và an toàn khi vận hành. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cải tiến thiết kế hệ thống truyền lực ô tô, góp phần phát triển ngành cơ khí ô tô trong nước, đồng thời hỗ trợ các doanh nghiệp và kỹ sư trong việc ứng dụng công nghệ mô phỏng hiện đại để tối ưu hóa sản phẩm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình cơ bản trong lĩnh vực cơ khí ô tô, đặc biệt tập trung vào:

  • Lý thuyết truyền lực chính: Bao gồm các loại truyền lực chính như truyền lực đơn, truyền lực kép, truyền lực bánh răng hypoit, bánh răng côn răng xoắn, bánh răng trụ và trục vít – bánh vít. Lý thuyết này giúp xác định loại truyền lực phù hợp với yêu cầu tỷ số truyền, kích thước và hiệu suất làm việc.

  • Lý thuyết vi sai: Phân loại vi sai theo kết cấu (bánh răng nón, bánh răng trụ, vi sai cam, vi sai ma sát thủy lực), theo công dụng và mức độ tự động. Vi sai bánh răng côn đối xứng được lựa chọn do tính đơn giản, hiệu suất cao và khả năng phân phối mô men xoắn đồng đều.

  • Lý thuyết vật liệu và tính toán bền: Áp dụng các tiêu chuẩn về vật liệu thép hợp kim cho bánh răng và trục, cùng các công thức tính toán ứng suất tiếp xúc, ứng suất uốn, mô men và đường kính trục đảm bảo độ bền và tuổi thọ của cơ cấu truyền lực.

  • Mô hình động học và động lực học vi sai: Phân tích vận tốc góc các bánh răng bán trục, mô men truyền động, tổn thất ma sát nội bộ trong vi sai, từ đó đánh giá hiệu quả truyền lực và khả năng làm việc trong các điều kiện vận hành khác nhau.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa thiết kế kỹ thuật truyền thống và mô phỏng bằng phần mềm CATIA:

  • Nguồn dữ liệu: Số liệu kỹ thuật và thông số thiết kế được lấy từ xe cơ sở Toyota Vios 1.5G 2007, các tiêu chuẩn vật liệu và tính toán bền theo tài liệu kỹ thuật chế tạo máy, cùng các bảng tra cứu tiêu chuẩn ngành cơ khí ô tô.

  • Phương pháp phân tích: Tính toán truyền lực chính và vi sai dựa trên các công thức động học, động lực học và tính toán bền. Kiểm tra ứng suất tiếp xúc và uốn của bánh răng, tính toán đường kính trục và chọn ổ lắp phù hợp. Mô phỏng kết cấu và quá trình lắp ráp cơ cấu truyền lực chính – vi sai trên phần mềm CATIA để đánh giá tính khả thi và tối ưu hóa thiết kế.

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian học kỳ cuối năm 2021 đến giữa năm 2022, bao gồm các giai đoạn thu thập số liệu, thiết kế sơ bộ, tính toán chi tiết, mô phỏng và hoàn thiện luận văn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Lựa chọn kết cấu truyền lực chính đơn loại hypoit: Qua phân tích ưu nhược điểm các loại truyền lực, truyền lực chính đơn hypoit được chọn với tỷ số truyền i0 = 5,125, phù hợp với yêu cầu tỷ số truyền và kích thước nhỏ gọn. Kết quả tính toán cho thấy mô men trên trục bánh răng nghiêng đạt 1690 Nm, đảm bảo khả năng truyền lực hiệu quả.

  2. Vật liệu chế tạo bánh răng và trục: Thép hợp kim 30XH3A và 30XHM được sử dụng cho bánh răng, thép 20XH3A cho trục, đảm bảo ứng suất tiếp xúc và uốn nằm trong giới hạn cho phép (ứng suất tiếp xúc 33 MPa < 39 MPa cho phép; ứng suất uốn bánh răng chủ động 38,39 MPa < 40 MPa cho phép). Đường kính trục được chọn là 65 mm tại tiết diện nguy hiểm, đảm bảo độ bền và ổn định.

  3. Thiết kế vi sai bánh răng côn đối xứng: Vi sai bánh răng côn đối xứng được lựa chọn do khả năng phân phối mô men xoắn đồng đều, kết cấu đơn giản và hiệu suất truyền động cao. Mô phỏng động học vi sai cho thấy các bánh răng bán trục có thể quay với vận tốc khác nhau khi ô tô quay vòng, đảm bảo tính linh hoạt và an toàn khi vận hành.

  4. Mô phỏng trên phần mềm CATIA: Quá trình mô phỏng giúp kiểm tra kết cấu, kích thước và quá trình lắp ráp cơ cấu truyền lực chính – vi sai, từ đó phát hiện và điều chỉnh các chi tiết nhằm tối ưu hóa thiết kế, giảm trọng lượng và tăng độ bền.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu phù hợp với các tiêu chuẩn kỹ thuật và các nghiên cứu trong ngành cơ khí ô tô. Việc lựa chọn truyền lực chính đơn hypoit giúp giảm kích thước và trọng lượng cầu chủ động, đồng thời tăng hiệu suất truyền lực lên đến 94%. So với truyền lực chính bánh răng côn răng thẳng, truyền lực hypoit có khả năng làm việc êm dịu hơn và chịu được mô men lớn hơn.

Vi sai bánh răng côn đối xứng với ma sát trong nhỏ giúp phân phối mô men đều giữa các bánh xe, giảm hiện tượng trượt và tăng độ bám đường, phù hợp với điều kiện đường xá không đồng đều tại Việt Nam. Mô phỏng CATIA cung cấp hình ảnh trực quan về kết cấu và quá trình lắp ráp, hỗ trợ việc kiểm tra sai sót thiết kế và tối ưu hóa chi tiết.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ ứng suất, mô men và bảng so sánh các thông số kỹ thuật giữa các phương án thiết kế, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả và ưu điểm của giải pháp được đề xuất.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng thiết kế truyền lực chính đơn hypoit cho các dòng xe con phổ biến: Động từ hành động “triển khai” nhằm nâng cao hiệu suất truyền lực và giảm trọng lượng cầu chủ động, thời gian thực hiện trong vòng 1-2 năm, chủ thể thực hiện là các nhà sản xuất ô tô và các trung tâm nghiên cứu cơ khí ô tô.

  2. Tăng cường sử dụng phần mềm mô phỏng CATIA trong thiết kế cơ cấu truyền lực: Động từ “ứng dụng” giúp giảm thiểu sai sót thiết kế, rút ngắn thời gian phát triển sản phẩm, thời gian thực hiện liên tục, chủ thể là các kỹ sư thiết kế và phòng thí nghiệm nghiên cứu.

  3. Nâng cao chất lượng vật liệu chế tạo bánh răng và trục: Động từ “đầu tư” vào vật liệu thép hợp kim có độ bền cao và khả năng chịu mài mòn tốt, nhằm kéo dài tuổi thọ cơ cấu truyền lực, thời gian thực hiện 3-5 năm, chủ thể là các nhà cung cấp vật liệu và nhà máy sản xuất linh kiện.

  4. Phát triển các chương trình đào tạo chuyên sâu về thiết kế và mô phỏng hệ thống truyền lực ô tô: Động từ “tổ chức” nhằm nâng cao năng lực kỹ thuật cho đội ngũ kỹ sư, thời gian thực hiện hàng năm, chủ thể là các trường đại học và viện nghiên cứu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế cơ khí ô tô: Nghiên cứu cung cấp kiến thức chi tiết về thiết kế truyền lực chính và vi sai, hỗ trợ trong việc phát triển sản phẩm mới và cải tiến hệ thống truyền lực.

  2. Các nhà sản xuất ô tô và linh kiện: Tham khảo để áp dụng các giải pháp thiết kế tối ưu, nâng cao hiệu suất và độ bền của hệ thống truyền lực, giảm chi phí sản xuất và bảo trì.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành cơ khí ô tô: Là tài liệu học tập và nghiên cứu chuyên sâu về cơ cấu truyền lực, giúp nâng cao hiểu biết lý thuyết và thực hành mô phỏng kỹ thuật.

  4. Các trung tâm nghiên cứu và phát triển công nghệ ô tô: Hỗ trợ trong việc phát triển các công nghệ mới, ứng dụng phần mềm mô phỏng hiện đại để tối ưu hóa thiết kế và thử nghiệm sản phẩm.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao chọn truyền lực chính đơn loại hypoit cho ô tô con?
    Truyền lực chính đơn hypoit có ưu điểm kích thước nhỏ gọn, hiệu suất cao (khoảng 94%), làm việc êm dịu và chịu được mô men lớn, phù hợp với yêu cầu thiết kế ô tô con. Ví dụ, xe Toyota Vios sử dụng truyền lực này để đảm bảo hiệu quả truyền động và độ bền.

  2. Vi sai bánh răng côn đối xứng có ưu điểm gì?
    Loại vi sai này phân phối mô men xoắn đồng đều giữa các bánh xe chủ động, giúp xe quay vòng linh hoạt và an toàn trên đường gồ ghề. Nó có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo và bảo dưỡng, phù hợp với điều kiện vận hành tại Việt Nam.

  3. Phần mềm CATIA hỗ trợ gì trong thiết kế cơ cấu truyền lực?
    CATIA giúp mô phỏng kết cấu, kiểm tra kích thước và quá trình lắp ráp cơ cấu truyền lực chính – vi sai, từ đó phát hiện lỗi thiết kế và tối ưu hóa chi tiết, giảm thời gian và chi phí phát triển sản phẩm.

  4. Vật liệu thép hợp kim được lựa chọn dựa trên tiêu chí nào?
    Vật liệu được chọn dựa trên khả năng chịu ứng suất tiếp xúc và uốn, độ bền cao, khả năng chịu mài mòn và dễ gia công. Ví dụ, thép 30XH3A và 30XHM được sử dụng cho bánh răng để đảm bảo tuổi thọ và hiệu suất làm việc.

  5. Làm thế nào để đảm bảo độ bền của trục truyền lực chính?
    Đường kính trục được tính toán dựa trên mô men và ứng suất cho phép, đồng thời chọn vật liệu thép hợp kim có độ bền cao. Ổ lắp trục cũng được chọn phù hợp để chịu lực hướng tâm và dọc trục, đảm bảo độ ổn định và tuổi thọ của trục.

Kết luận

  • Thiết kế cơ cấu truyền lực chính đơn loại hypoit với tỷ số truyền 5,125 phù hợp cho ô tô con, đảm bảo hiệu suất và kích thước gọn nhẹ.
  • Vi sai bánh răng côn đối xứng được lựa chọn nhằm phân phối mô men xoắn đồng đều, tăng tính ổn định và an toàn khi vận hành.
  • Vật liệu thép hợp kim cho bánh răng và trục đảm bảo ứng suất tiếp xúc và uốn nằm trong giới hạn cho phép, nâng cao độ bền và tuổi thọ cơ cấu.
  • Mô phỏng bằng phần mềm CATIA giúp kiểm tra và tối ưu hóa thiết kế, giảm thiểu sai sót và chi phí phát triển.
  • Đề xuất áp dụng thiết kế và mô phỏng hiện đại trong ngành cơ khí ô tô nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm và năng lực cạnh tranh.

Tiếp theo, cần triển khai thử nghiệm thực tế và đánh giá hiệu quả vận hành của cơ cấu truyền lực chính – vi sai đã thiết kế, đồng thời mở rộng nghiên cứu cho các loại xe khác. Mời các kỹ sư và nhà nghiên cứu cùng áp dụng và phát triển giải pháp này để nâng cao chất lượng ngành cơ khí ô tô Việt Nam.