Tổng quan nghiên cứu

Ngành công nghiệp ô tô hiện nay đóng vai trò then chốt trong sự phát triển công nghiệp toàn cầu, với sự gia tăng nhanh chóng về số lượng và đa dạng các loại xe tải phục vụ vận tải hàng hóa. Theo ước tính, hộp số là một trong những bộ phận quan trọng nhất ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất vận hành và độ bền của xe tải. Tuy nhiên, việc thiết kế và tính toán hộp số phù hợp với đặc tính kỹ thuật của từng loại xe vẫn còn nhiều thách thức do sự phức tạp của cơ cấu truyền động và yêu cầu khắt khe về độ bền, hiệu suất truyền lực.

Luận văn tập trung nghiên cứu tính toán và thiết kế hộp số 6 cấp cho xe tải sử dụng công cụ SolidWorks, nhằm mục tiêu xây dựng mô hình 3D chính xác, đồng thời kiểm nghiệm bền vững các chi tiết hộp số qua mô phỏng phần mềm. Phạm vi nghiên cứu giới hạn trên xe tải nhãn hiệu HINO với các thông số kỹ thuật cụ thể như khối lượng bản thân 2500 kg, công suất động cơ 110 kW tại 2800 vòng/phút, momen xoắn cực đại 420 Nm tại 1400 vòng/phút, và tỷ số truyền hộp số từ 0,759 đến 5,979. Thời gian nghiên cứu thực hiện trong năm 2023 tại Trường Đại học Giao thông Vận tải TP. Hồ Chí Minh.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao chất lượng thiết kế hộp số, giúp sinh viên và kỹ sư ô tô ứng dụng kiến thức lý thuyết vào thực tiễn, đồng thời góp phần cải tiến công nghệ hộp số xe tải, tăng hiệu quả vận hành và độ bền sản phẩm. Các chỉ số hiệu suất như mô men xoắn, tỷ số truyền, ứng suất uốn và ứng suất tiếp xúc được phân tích chi tiết nhằm đảm bảo tính khả thi và an toàn kỹ thuật của thiết kế.

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 kỹ thuật ô tô và cơ khí chế tạo, bao gồm:

  • Lý thuyết hộp số và truyền động cơ khí: Giải thích công dụng, yêu cầu và phân loại hộp số, đặc biệt là hộp số sàn 6 cấp với các tỷ số truyền khác nhau nhằm tối ưu hóa hiệu suất vận hành xe tải.
  • Lý thuyết tính toán bánh răng và trục truyền động: Áp dụng các công thức tính toán kích thước, số răng, mô đun, góc nghiêng răng, lực tác dụng và mô men xoắn trên các trục sơ cấp, trung gian và thứ cấp.
  • Lý thuyết sức bền vật liệu và ứng suất: Tính toán ứng suất uốn và ứng suất tiếp xúc của bánh răng dựa trên công thức Hertz-Beliaev, đảm bảo các chi tiết chịu được tải trọng vận hành với độ bền cao.
  • Mô hình mô phỏng SolidWorks: Sử dụng phần mềm SolidWorks để dựng mô hình 3D chi tiết hộp số, lắp ráp các bộ phận và tiến hành phân tích ứng suất, biến dạng qua module Simulation nhằm kiểm nghiệm độ bền và hiệu quả thiết kế.

Các khái niệm chính bao gồm: tỷ số truyền hộp số, mô đun pháp tuyến bánh răng, lực vòng tác dụng lên bánh răng, ứng suất uốn, ứng suất tiếp xúc, mô men xoắn tính toán, và hiệu suất truyền lực.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các thông số kỹ thuật thực tế của xe tải HINO, tài liệu chuyên ngành kỹ thuật ô tô, và các tiêu chuẩn kỹ thuật về bánh răng và hộp số. Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

  • Phương pháp tính toán lý thuyết: Tính toán các thông số hình học, lực, mô men và ứng suất dựa trên công thức chuẩn trong kỹ thuật cơ khí và ô tô. Cỡ mẫu là toàn bộ các chi tiết bánh răng và trục trong hộp số 6 cấp, được lựa chọn theo tiêu chuẩn kỹ thuật và điều kiện vận hành thực tế.
  • Phương pháp mô phỏng số: Dựng mô hình 3D chi tiết hộp số trên SolidWorks, tiến hành lắp ráp và sử dụng module Simulation để phân tích ứng suất và biến dạng dưới tải trọng mô phỏng. Phương pháp này giúp kiểm chứng kết quả tính toán và phát hiện các điểm yếu trong thiết kế.
  • Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu kéo dài trong năm 2023, bắt đầu từ thu thập số liệu, tính toán thiết kế, dựng mô hình 3D, đến kiểm nghiệm mô phỏng và hoàn thiện luận văn.

Phương pháp chọn mẫu là lựa chọn chi tiết hộp số tiêu biểu cho xe tải 6 cấp, phù hợp với điều kiện vận hành và yêu cầu kỹ thuật của ngành ô tô tải.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Xác định kích thước và số răng bánh răng: Qua tính toán, khoảng cách trục chính xác được chọn là 156 mm, mô đun pháp tuyến bánh răng là 4,5 mm, với số răng các bánh răng trên trục sơ cấp từ 18 đến 43 răng, trên trục thứ cấp từ 15 đến 50 răng. Tỷ số truyền các cấp số dao động từ 0,748 đến 5,952, phù hợp với yêu cầu vận hành xe tải.

  2. Tính toán mô men xoắn và lực vòng: Mô men tính toán trên trục sơ cấp là 420 Nm, trên trục trung gian đạt 880,8 Nm, trên trục thứ cấp dao động từ 141,2 đến 1121,4 Nm tùy cấp số. Lực vòng tác dụng lên bánh răng lớn nhất trên trục trung gian là khoảng 10.609 N (bánh răng số 1), đảm bảo khả năng truyền lực hiệu quả.

  3. Kiểm tra ứng suất uốn và ứng suất tiếp xúc: Ứng suất uốn lớn nhất trên bánh răng trụ nghiêng là 177,8 MPa (bánh răng số lùi), thấp hơn giới hạn cho phép 400-800 MPa. Ứng suất tiếp xúc cao nhất là 31,9 MPa, cũng nằm trong giới hạn an toàn 1300-1400 MPa. Kết quả cho thấy các chi tiết bánh răng đều đảm bảo độ bền theo tiêu chuẩn kỹ thuật.

  4. Mô phỏng kiểm nghiệm bền bằng SolidWorks: Mô phỏng ứng suất và biến dạng trên các bánh răng và trục hộp số cho thấy sự phân bố lực hợp lý, không xuất hiện điểm tập trung ứng suất quá mức. Kết quả mô phỏng tương đồng với tính toán lý thuyết, khẳng định tính chính xác của thiết kế.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân các kết quả đạt được là do việc lựa chọn mô đun bánh răng phù hợp với mô men động cơ, cùng với việc tính toán chính xác các thông số hình học và lực tác dụng. So sánh với các nghiên cứu trong ngành, tỷ số truyền và ứng suất bánh răng của hộp số thiết kế tương đương hoặc tốt hơn các mẫu hộp số xe tải phổ biến hiện nay.

Việc sử dụng phần mềm SolidWorks không chỉ giúp dựng mô hình 3D chi tiết mà còn hỗ trợ kiểm nghiệm bền chính xác, giảm thiểu sai sót trong thiết kế truyền thống. Kết quả nghiên cứu có thể được trình bày qua các biểu đồ mô men xoắn theo cấp số, bảng số liệu ứng suất uốn và tiếp xúc, cùng hình ảnh mô phỏng ứng suất phân bố trên bánh răng và trục.

Nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu quả thiết kế hộp số xe tải, giúp sinh viên và kỹ sư ô tô có công cụ hỗ trợ tính toán và mô phỏng hiện đại, đồng thời mở rộng ứng dụng công nghệ CAD/CAE trong ngành cơ khí ô tô.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng công cụ mô phỏng SolidWorks trong thiết kế hộp số: Khuyến khích các đơn vị đào tạo và doanh nghiệp sử dụng phần mềm mô phỏng để kiểm nghiệm bền và tối ưu thiết kế hộp số, nhằm giảm chi phí thử nghiệm thực tế và nâng cao độ chính xác. Thời gian thực hiện: ngay trong các khóa học và dự án thiết kế.

  2. Nâng cao chất lượng vật liệu chế tạo bánh răng và trục: Sử dụng thép C45 nhiệt luyện với độ cứng 57-59 HRC như nghiên cứu để đảm bảo độ bền và tuổi thọ hộp số, đồng thời nghiên cứu thêm vật liệu mới có tính năng chịu mài mòn và chịu tải cao hơn. Chủ thể thực hiện: nhà sản xuất và viện nghiên cứu vật liệu.

  3. Tối ưu hóa tỷ số truyền và cấu trúc hộp số theo đặc tính xe tải: Dựa trên kết quả tính toán, điều chỉnh tỷ số truyền các cấp số để phù hợp hơn với các loại xe tải khác nhau, nâng cao hiệu suất nhiên liệu và khả năng vận hành. Thời gian thực hiện: trong các dự án phát triển sản phẩm mới.

  4. Đào tạo và nâng cao kỹ năng thiết kế mô phỏng cho sinh viên và kỹ sư: Tổ chức các khóa học chuyên sâu về SolidWorks và các phần mềm mô phỏng kỹ thuật, giúp người học nắm vững kỹ năng thiết kế và phân tích hộp số hiện đại. Chủ thể thực hiện: các trường đại học và trung tâm đào tạo kỹ thuật.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Sinh viên ngành kỹ thuật ô tô và cơ khí: Luận văn cung cấp kiến thức thực tiễn về thiết kế hộp số, giúp sinh viên hiểu sâu về tính toán, mô phỏng và kiểm nghiệm bền trong ngành ô tô.

  2. Kỹ sư thiết kế và phát triển sản phẩm ô tô: Tài liệu hỗ trợ kỹ sư trong việc thiết kế hộp số mới, tối ưu hóa cấu trúc và vật liệu, đồng thời áp dụng công nghệ mô phỏng hiện đại.

  3. Giảng viên và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực cơ khí ô tô: Cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu chi tiết, làm tài liệu tham khảo cho các đề tài nghiên cứu và giảng dạy chuyên sâu.

  4. Doanh nghiệp sản xuất và sửa chữa hộp số xe tải: Giúp cải tiến quy trình thiết kế, kiểm tra chất lượng sản phẩm và nâng cao hiệu quả sản xuất thông qua ứng dụng phần mềm mô phỏng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao chọn hộp số 6 cấp cho xe tải trong nghiên cứu?
    Hộp số 6 cấp giúp tối ưu hóa dải tỷ số truyền, phù hợp với đặc tính vận hành của xe tải, đảm bảo hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu. Việc nghiên cứu hộp số này giúp thiết kế chính xác và ứng dụng thực tế cao.

  2. Làm thế nào để đảm bảo độ bền của bánh răng trong hộp số?
    Độ bền được đảm bảo qua tính toán ứng suất uốn và ứng suất tiếp xúc dựa trên các công thức chuẩn, lựa chọn vật liệu thép C45 nhiệt luyện đạt độ cứng 57-59 HRC, và kiểm nghiệm mô phỏng ứng suất bằng phần mềm SolidWorks.

  3. SolidWorks hỗ trợ gì trong thiết kế hộp số?
    SolidWorks giúp dựng mô hình 3D chi tiết, lắp ráp các bộ phận, và phân tích ứng suất, biến dạng qua module Simulation, từ đó kiểm tra và tối ưu thiết kế trước khi sản xuất thực tế.

  4. Phương pháp tính toán mô men xoắn được áp dụng như thế nào?
    Mô men xoắn tính toán dựa trên mô men cực đại của động cơ, tỷ số truyền hộp số và hiệu suất truyền lực, đồng thời so sánh với mô men tính theo điều kiện bám để chọn giá trị phù hợp nhất.

  5. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu cho các loại xe tải khác không?
    Có thể, tuy nhiên cần điều chỉnh các thông số kỹ thuật như mô men, tỷ số truyền và kích thước bánh răng phù hợp với đặc tính từng loại xe tải để đảm bảo hiệu quả và độ bền.

Kết luận

  • Đã hoàn thành thiết kế và tính toán chi tiết hộp số 6 cấp cho xe tải HINO với các thông số kỹ thuật cụ thể, đảm bảo tỷ số truyền và mô men phù hợp.
  • Các chi tiết bánh răng và trục đều thỏa mãn điều kiện bền theo ứng suất uốn và ứng suất tiếp xúc, đảm bảo độ bền và an toàn vận hành.
  • Mô hình 3D và kiểm nghiệm bền bằng phần mềm SolidWorks cho kết quả tương đồng với tính toán lý thuyết, khẳng định tính chính xác của thiết kế.
  • Đề xuất áp dụng công nghệ mô phỏng trong thiết kế hộp số, nâng cao chất lượng vật liệu và đào tạo kỹ năng thiết kế mô phỏng cho sinh viên và kỹ sư.
  • Tiếp tục nghiên cứu tối ưu hóa tỷ số truyền và vật liệu chế tạo, mở rộng ứng dụng cho các loại xe tải khác nhằm nâng cao hiệu suất và độ bền sản phẩm.

Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá cho sinh viên, kỹ sư và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực kỹ thuật ô tô, đồng thời là cơ sở để phát triển các dự án thiết kế hộp số hiện đại trong tương lai.