Tổng quan nghiên cứu

Thị trường phương tiện giao thông cá nhân tại các đô thị lớn đang chứng kiến sự chuyển dịch mạnh mẽ với hơn 75% người tiêu dùng ưu tiên lựa chọn các dòng xe sử dụng hệ thống truyền động tự động nhờ tính tiện dụng và khả năng vận hành êm ái. Trong bối cảnh mật độ giao thông đô thị ngày càng đông đúc, nhu cầu giảm thao tác sang số liên tục và tối ưu hóa không gian khoang động cơ trên các dòng ô tô con cỡ nhỏ 4 chỗ bố trí hệ dẫn động cầu trước trở thành một bài toán kỹ thuật cấp thiết. Nghiên cứu này tập trung giải quyết vấn đề tính toán, thiết kế và tối ưu hóa bộ truyền cơ khí hộp số tự động bánh răng hành tinh 3 cấp số, đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn về độ bền, độ cứng vững và kích thước nhỏ gọn.

Mục tiêu cụ thể của luận văn bao gồm: xây dựng sơ đồ động học và nguyên lý điều khiển phối hợp giữa biến mô thủy lực với hệ bánh răng hành tinh; xác định các thông số hình học của hệ thống bánh răng; tính toán kiểm nghiệm bền theo các chỉ tiêu uốn, tiếp xúc cho bánh răng; thiết kế hệ thống ly hợp ma sát ướt, phanh hãm thủy lực, các trục truyền động, mối ghép then hoa, ổ bi đỡ và cơ cấu khớp một chiều. Toàn bộ quá trình nghiên cứu được triển khai tại Xưởng thực hành ô tô thuộc Khoa Kỹ thuật Cơ khí, Trường Bách Khoa, Đại học Cần Thơ trong năm học 2022-2023.

Nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn to lớn đối với dòng xe tham chiếu có khối lượng toàn tải 1379 kg, trang bị động cơ xăng 4 xi-lanh công suất 98 mã lực tại 6200 vòng/phút và mô-men xoắn cực đại 124 N.m. Kết quả thiết kế đảm bảo hiệu suất truyền lực toàn hệ thống đạt trên 89%, cho phép phương tiện vượt qua hệ số cản tổng cộng của mặt đường lên tới 0,5, đồng thời góp phần nâng cao tính kinh tế nhiên liệu khoảng 8% đến 12% khi xe vận hành trong điều kiện đô thị.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết động lực học ô tô hiện đại kết hợp với nguyên lý truyền động thủy cơ. Cụ thể, khung lý thuyết bao gồm:

Thuyết động học cơ cấu bánh răng hành tinh dựa trên phương trình Willis để thiết lập mối quan hệ vận tốc góc giữa bánh răng mặt trời, bánh răng bao và cần dẫn. Hệ thống được phát triển theo mô hình tổ hợp hai cụm bánh răng hành tinh liên kết, cho phép tạo ra ba cấp số tiến và một cấp số lùi với tỷ số truyền biến thiên hợp lý.

Thuyết bền mỏi tiếp xúc Hertz và thuyết bền uốn Lewis trong kỹ thuật cơ khí, ứng dụng trực tiếp vào việc kiểm tra khả năng chịu tải của các bề mặt răng dưới tác dụng của tải trọng xoắn cực đại. Đi kèm với đó là thuyết bền ứng suất tiếp cực đại áp dụng cho kết cấu trục đặc và trục rỗng lồng nhau.

Khung lý thuyết cũng định nghĩa rõ 4 khái niệm kỹ thuật cốt lõi:

  • Hệ bánh răng hành tinh: Cơ cấu truyền động gồm bánh răng trung tâm (bánh răng mặt trời), các bánh răng hành tinh xoay quanh trục di động gắn trên cần dẫn và bánh răng bao ăn khớp trong.
  • Biến mô-men thủy động: Thiết bị truyền năng lượng bằng chất lỏng tuần hoàn giữa bánh bơm, bánh tua-bin và bánh dẫn hướng, có khả năng khuếch đại mô-men xoắn từ 1,0 đến 2,0 lần khi khởi hành.
  • Ly hợp và phanh ma sát ướt: Cơ cấu đóng ngắt các phần tử hành tinh bằng áp suất dầu thủy lực, hoạt động ngâm trong dầu để giải nhiệt và giảm mài mòn.
  • Khớp một chiều kiểu cam: Cơ cấu khóa chiều quay tự do của phần tử phản lực nhằm tạo điểm tựa truyền mô-men mà không cần điều khiển điện tử phức tạp.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu đầu vào của đề tài được thu thập từ các thông số kỹ thuật tiêu chuẩn của dòng xe du lịch 4 chỗ dẫn động cầu trước, sử dụng lốp xe quy cách 185/55R15 với bán kính làm việc danh định 277,64 mm và chiều dài cơ sở 2759 mm. Cỡ mẫu nghiên cứu đại diện cho cấu hình xe đô thị phân khúc phổ thông với tải trọng phân bổ cầu trước chủ động.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa giải tích lý thuyết và khảo sát mô hình thực nghiệm:

  • Phương pháp giải tích động học và động lực học: Sử dụng các công thức giải tích cổ điển để tính toán tỷ số truyền, lực tiếp tuyến, lực hướng tâm và lực dọc trục phát sinh tại các điểm ăn khớp. Lý do lựa chọn phương pháp này là đảm bảo độ tin cậy tuyệt đối về mặt toán học và dễ dàng lập trình tự động hóa các bước kiểm nghiệm.
  • Phương pháp khảo sát tháo lắp thực tế: Tiến hành khảo sát cấu trúc thực tế của các cụm hộp số tự động cắt bổ trong xưởng thực hành ô tô Đại học Cần Thơ để chuẩn hóa kích thước lắp ghép và bố trí không gian hợp lý cho cụm bánh răng lồng trục.
  • Timeline nghiên cứu: Được thực hiện liên tục trong 15 tuần, phân bổ từ khâu xác lập đề cương, tính toán động học hộp số, tính toán kiểm nghiệm bền từng chi tiết máy đến khâu xuất bản vẽ kỹ thuật chi tiết và bản vẽ lắp hoàn chỉnh.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình tính toán và thiết kế đã mang lại 4 kết quả kỹ thuật mang tính đột phá và chuẩn xác:

Thứ nhất, xác lập thành công dãy tỷ số truyền tối ưu của hộp số tự động 3 cấp kết hợp biến mômen. Tại cấp số 1, tỷ số truyền cơ khí của hộp số đạt 1,97, kết hợp với hệ số khuếch đại mô-men của biến mô là 2,0 giúp tỷ số truyền tổng cộng đạt 3,94, nâng lực kéo tại bánh xe chủ động lên mức cực đại để leo dốc với hệ số cản 0,5. Tại cấp số 2, tỷ số truyền hộp số là 1,32 kết hợp biến mô 1,5 cho tỷ số truyền tổng 1,98. Tại cấp số 3, hộp số thực hiện truyền thẳng với tỷ số 1,0 và biến mô đóng khớp khóa ma sát tạo tỷ số 1,0 giúp tăng hiệu suất truyền động lên mức tối đa.

Thứ hai, chuẩn hóa kích thước hình học bộ truyền bánh răng hành tinh sử dụng răng nghiêng thân khai với góc nghiêng răng tiêu chuẩn 30,11 độ, mô-đun pháp tuyến 1 mm và góc ăn khớp 20 độ. Cụm bánh răng bao gồm: bánh răng mặt trời 1 có 59 răng (đường kính vòng chia 68,2 mm), bánh răng mặt trời 2 có 81 răng (đường kính vòng chia 93,63 mm), hai bộ bánh răng hành tinh có cùng 17 răng (đường kính vòng chia 19,65 mm) và bánh răng bao có 115 răng (đường kính vòng chia 132,94 mm). Toàn bộ bánh răng chế tạo từ thép xêmentit hóa 20X đều có ứng suất uốn thực tế nhỏ hơn ứng suất cho phép 350 N/mm2 và ứng suất tiếp xúc nhỏ hơn 1400 N/mm2.

Thứ ba, thiết kế chính xác cụm điều khiển ma sát ướt với hệ số dự trữ mô-men bằng 1,5 và áp suất piston 4 N/mm2. Ly hợp tiến Ca sử dụng 2 đĩa ma sát (4 bề mặt ma sát) với lực ép piston 0,0368 MN; ly hợp lùi Cb sử dụng 3 đĩa ma sát (6 bề mặt ma sát) với lực ép 0,0176 MN; phanh dải B1 dùng 3 đĩa ma sát với lực ép 0,0288 MN và phanh dải B2 dùng 2 đĩa ma sát với lực ép 0,0152 MN.

Thứ tư, xác định kết cấu trục truyền động tối ưu chịu ứng suất xoắn an toàn dưới 200 N/mm2. Trục sơ cấp đầu vào dạng đặc có đường kính 33 mm; trục sơ cấp bánh răng mặt trời 1 dạng rỗng có đường kính trong 35 mm và đường kính ngoài 42 mm; trục sơ cấp bánh răng mặt trời 2 dạng rỗng có đường kính trong 48 mm và ngoài 52 mm; trục thứ cấp rỗng có đường kính trong 35 mm và ngoài 41 mm.

Thảo luận kết quả

Cơ chế phân chia dòng công suất qua 3 bánh răng hành tinh phân bố đối xứng 120 độ quanh tâm giúp triệt tiêu hoàn toàn lực hướng tâm và lực dọc trục tác dụng lên trục chính, giảm tải trọng uốn cục bộ xuống mức bằng 0. Nhờ đó, ứng suất tập trung trên các ổ bi đỡ giảm hơn 65% so với cấu trúc hộp số trục cố định truyền thống. Việc lựa chọn góc nghiêng răng 30,11 độ giúp tăng hệ số trùng khớp danh định lên trên 1,8, triệt tiêu tiếng ồn ăn khớp và nâng cao độ bền mỏi tiếp xúc của bề mặt răng thêm 25%.

Dữ liệu tính toán trong nghiên cứu có thể được trực quan hóa tối ưu thông qua hai dạng thức:

  • Biểu đồ đặc tính động lực học kéo: Thể hiện mối quan hệ giữa lực kéo tiếp tuyến tại bánh xe chủ động và vận tốc xe ở các cấp số, mô tả rõ điểm chuyển số tự động khi biến mô chuyển trạng thái từ khuếch đại mô-men sang trạng thái ly hợp khóa cứng.
  • Bảng ma trận điều khiển phần tử ma sát: Thể hiện trạng thái đóng, mở của từng ly hợp và phanh tại các vị trí tay số P, R, N, D, S, giúp kỹ sư lập trình thủy lực dễ dàng tích hợp thuật toán điều khiển điện tử mà không bị xung đột thủy lực.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả tính toán chi tiết của đề tài, 4 khuyến nghị hành động cụ thể được đề xuất nhằm hoàn thiện và ứng dụng mô hình vào sản xuất thực tế:

Thứ nhất, tích hợp hệ thống điều khiển điện tử - thủy lực thông minh (TCU kết hợp các van điện từ tuyến tính Solenoid) nhằm rút ngắn thời gian chuyển đổi giữa các cấp số xuống dưới 0,35 giây, thực hiện trong vòng 6 tháng bởi nhóm nghiên cứu cơ điện tử ô tô.

Thứ hai, ứng dụng công nghệ nhiệt luyện thấm nitơ-cacbon kết hợp gia công mài chính xác biên dạng răng cho vật liệu thép hợp kim 20X nhằm nâng giới hạn bền mỏi tiếp xúc lên trên 1500 N/mm2, giảm độ nhám bề mặt xuống mức dưới 0,63 micromet, hoàn thành trong 3 tháng tại các đơn vị gia công cơ khí chính xác.

Thứ ba, triển khai mô phỏng dòng chảy động lực học chất lưu 3D trong buồng biến mô thủy lực và tối ưu hóa biên dạng cánh bơm, cánh tua-bin để nâng hiệu suất biến mô ở vùng làm việc định mức lên trên 92%, lộ trình thực hiện 9 tháng do các kỹ sư mô phỏng động lực học đảm nhiệm.

Thứ tư, thiết kế và chế tạo băng thử nghiệm thực tế (Dynamometer Test Bench) để kiểm tra độ rung giật, tổn thất ma sát và mức độ phát thải âm thanh dưới ngưỡng 68 dB khi hộp số vận hành liên tục ở tốc độ trục vào 6200 vòng/phút, triển khai trong 12 tháng tại các phòng thí nghiệm ô tô trọng điểm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Tài liệu này mang lại giá trị thực tiễn và học thuật cao cho 4 nhóm đối tượng chính:

  1. Sinh viên và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực, Kỹ thuật Ô tô: Nắm vững quy trình mẫu mực về tính toán động học hệ bánh răng hành tinh, xác định dung sai kích thước lồng trục và phương pháp kiểm nghiệm độ bền chi tiết máy trong ô tô.
  2. Giảng viên và cán bộ nghiên cứu tại các trường đại học kỹ thuật: Sử dụng công trình như một tài liệu tham khảo chuẩn để biên soạn bài giảng môn học Thiết kế Hệ thống Truyền lực Ô tô hoặc xây dựng đồ án môn học chuyên ngành.
  3. Kỹ sư R&D tại các doanh nghiệp sản xuất, lắp ráp phương tiện giao thông: Vận dụng các công thức tính toán kết cấu ly hợp ướt, phanh hãm và trục rỗng để tối ưu hóa không gian lắp đặt cụm truyền động cho các dòng xe điện hoặc xe hybrid cỡ nhỏ.
  4. Kỹ thuật viên chẩn đoán và sửa chữa ô tô cao cấp: Hiểu sâu bản chất cơ cấu dòng truyền mô-men, nguyên lý khóa của khớp một chiều và các thông số khe hở đĩa ma sát nhằm phục vụ công tác đại tu, sửa chữa hộp số tự động đạt chuẩn kỹ thuật.

Câu hỏi thường gặp

Hộp số tự động 3 cấp bánh răng hành tinh có ưu điểm gì nổi bật so với hộp số sàn trên xe dẫn động cầu trước? Hộp số tự động bánh răng hành tinh có kích thước chiều trục ngắn hơn khoảng 30% so với hộp số sàn cùng cấp nhờ các bánh răng được bố trí đồng trục lồng nhau. Kết cấu này giúp giải phóng không gian khoang động cơ xe dẫn động cầu trước, đồng thời loại bỏ thao tác đạp ly hợp giúp việc lái xe trong đô thị nhẹ nhàng hơn.

Tại sao nghiên cứu lại chọn bánh răng trụ răng nghiêng thay vì bánh răng trụ răng thẳng? Bánh răng trụ răng nghiêng với góc nghiêng 30,11 độ có hệ số trùng khớp lớn hơn nhiều so với răng thẳng, cho phép nhiều cặp răng cùng tham gia ăn khớp đồng thời. Điều này giúp giảm ứng suất uốn trên từng răng, tăng độ cứng vững và giảm tiếng ồn vận hành xuống dưới 70 dB khi xe chạy tốc độ cao.

Biến mô thủy lực hỗ trợ quá trình khởi hành của xe như thế nào? Khi xe khởi hành tại số 1, biến mô thủy lực khuếch đại mô-men xoắn của động cơ lên gấp 2,0 lần nhờ tác dụng chuyển hướng dòng dầu của bánh dẫn hướng stator. Nhờ đó, phương tiện có thể khởi hành êm ái mà không bị chết máy ngay cả khi dừng giữa dốc cao có hệ số cản 0,5.

Tại sao các trục sơ cấp trong hộp số hành tinh lại được thiết kế dưới dạng trục rỗng lồng nhau? Do các bánh răng mặt trời và bánh răng bao cần nhận chuyển động độc lập từ các bộ ly hợp khác nhau trên cùng một đường tâm, việc thiết kế trục rỗng lồng trục đặc giúp truyền các luồng mô-men riêng biệt mà không làm tăng kích thước chiều ngang của hộp số xe cầu trước.

Vật liệu thép 20X được lựa chọn có đáp ứng đủ độ bền cho các chi tiết bánh răng không? Thép 20X sau khi thấm cacbon và tôi đạt độ cứng bề mặt cao với ứng suất uốn cho phép 350 N/mm2 và ứng suất tiếp xúc cho phép 1400 N/mm2. Kết quả tính toán cho thấy ứng suất làm việc lớn nhất của các bánh răng đều nằm trong giới hạn an toàn với hệ số dự trữ trên 1,4.

Kết luận

  • Hoàn thành toàn diện việc tính toán, thiết kế hệ thống truyền động hộp số tự động bánh răng hành tinh 3 cấp số cho dòng xe du lịch 4 chỗ dẫn động cầu trước.
  • Chuẩn hóa đầy đủ các thông số hình học và kiểm nghiệm bền thành công cho hệ thống bánh răng nghiêng thân khai chế tạo bằng thép 20X thấm cacbon.
  • Xác lập kết cấu tối ưu cho 4 cụm ma sát đóng ngắt thủy lực và hệ thống trục truyền động rỗng lồng trục đồng tâm đảm bảo an toàn tuyệt đối.
  • Đóng góp nguồn học liệu kỹ thuật chất lượng cao, phục vụ hiệu quả cho công tác giảng dạy, nghiên cứu và phát triển sản phẩm truyền động cơ khí ô tô.
  • Lộ trình tiếp theo sẽ tập trung hoàn thiện bộ điều khiển thủy lực điện tử tự động và triển khai thử nghiệm trên mô hình thực tế trong vòng 12 tháng tới. Quý độc giả và các đơn vị nghiên cứu quan tâm có thể ứng dụng ngay khung tính toán này để phát triển các hệ thống truyền động tương đương.