Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành công nghiệp ô tô giữ vai trò thiết yếu trong hoạt động vận tải hành khách, lưu thông hàng hóa và phục vụ các lĩnh vực chuyên dụng như y tế, cứu nạn, cứu hộ. Tại Việt Nam, các định hướng và quy hoạch phát triển dài hạn đã đặt mục tiêu nâng cao tỷ lệ nội địa hóa nhằm giảm phụ thuộc vào nhập khẩu. Dù vậy, theo số liệu thực tế được tác giả tổng hợp, ngành sản xuất linh kiện và công nghiệp phụ trợ trong nước vẫn còn nhiều hạn chế với khoảng 210 doanh nghiệp quy mô vừa và nhỏ, chủ yếu cung ứng các chi tiết đơn giản. Tỷ lệ nội địa hóa đối với xe con mới đạt khoảng 15–18%, xe tải nhẹ đạt khoảng 33%, trong khi nhóm xe khách từ 24 chỗ trở lên đạt mức 45–55%. Bên cạnh đó, các biến động thị trường trong giai đoạn 2017–2018 dưới tác động của Nghị định 116/2017/NĐ-CP và lộ trình giảm thuế nhập khẩu ô tô nguyên chiếc từ khu vực ASEAN về 0% đòi hỏi các đơn vị trong nước phải nâng cao năng lực kỹ thuật và làm chủ quy trình thiết kế, chế tạo phụ tùng.

Trong hệ thống truyền lực của ô tô, ly hợp là một cụm chi tiết cơ bản có nhiệm vụ truyền, ngắt mô men xoắn từ động cơ đến hộp số và hệ thống truyền lực, đảm bảo cho quá trình khởi hành, chuyển số diễn ra êm dịu, đồng thời đóng vai trò cơ cấu an toàn ngăn ngừa hiện tượng quá tải khi phanh đột ngột. Việc nghiên cứu thiết kế cụm ly hợp phù hợp với điều kiện vận hành tại Việt Nam là yêu cầu kỹ thuật cần thiết nhằm hướng tới mục tiêu sửa chữa và thay thế chi tiết trong nước.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể:

  1. Tổng quan về thực trạng ngành công nghiệp ô tô và tổng quan kỹ thuật về hệ thống ly hợp trên ô tô.
  2. Đề xuất, phân tích và lựa chọn phương án thiết kế ly hợp tối ưu cho xe khách 25 chỗ.
  3. Tính toán thiết kế kỹ thuật chi tiết các thông số cơ bản, kiểm tra điều kiện làm việc (công trượt, nhiệt độ) và tính toán độ bền các chi tiết chủ yếu của ly hợp.
  4. Đưa ra kết luận và kiến nghị kỹ thuật.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống ly hợp trên dòng xe khách 25 chỗ Hyundai County.
  • Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát kết cấu cụ thể của cụm ly hợp xe Hyundai County và so sánh với một số phương án trên các dòng xe cùng loại; giới hạn ở việc tính toán các thông số hình học, lực ép, công trượt, nhiệt độ và các chi tiết cơ bản như đĩa bị động, xương đĩa, đinh tán, đĩa ép.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận được xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết chuyên ngành kỹ thuật ô tô, bao gồm các môn học: Lý thuyết ô tô máy kéo, Cấu tạo ô tô máy kéo, Thiết kế ô tô, Kỹ thuật chẩn đoán và bảo dưỡng máy.

Các mô hình và công thức tính toán giải tích kỹ thuật được tác giả sử dụng gồm:

  • Công thức xác định mô men ma sát tính toán yêu cầu: $M_c = \beta \cdot M_{e \max}$ (với $\beta$ là hệ số dự trữ ly hợp, $M_{e \max}$ là mô men xoắn cực đại của động cơ).
  • Quan hệ giải tích giữa mô men ma sát, lực ép của lò xo, kích thước hình học đĩa ma sát và hệ số ma sát: $M_c = \alpha \cdot F_0 \cdot R_{tb} \cdot Z$.
  • Mô hình xác định công trượt ly hợp trong quá trình đóng khởi hành tại chỗ: $W = \frac{1}{2} \cdot \frac{I_a \cdot \omega_0^2 \cdot M_{e \max}}{M_{e \max} - M_c'}$.
  • Phương pháp kiểm nghiệm áp suất tiếp xúc bề mặt ($q$), công trượt riêng ($w$), mức tăng nhiệt độ của chi tiết nung nóng ($\Delta t$), cùng ứng suất cắt và chèn dập của đinh tán liên kết.

Phương pháp nghiên cứu:

  • Phương pháp thu thập và kế thừa tài liệu: Kế thừa các công trình nghiên cứu về hệ thống truyền lực, tổng hợp số liệu kỹ thuật xe cơ sở và báo cáo thống kê thị trường từ Hiệp hội các nhà sản xuất ô tô Việt Nam (VAMA), Tổng cục Hải quan.
  • Phương pháp tính toán lý thuyết kỹ thuật: Sử dụng các phương trình cơ học giải tích để xác định kích thước, kiểm tra điều kiện bền cơ học và chỉ tiêu nhiệt động học.

Nguồn dữ liệu:

  • Bảng thông số kỹ thuật xe cơ sở Hyundai County 25 chỗ trang bị động cơ Diesel 4 kỳ D4DD-CRDi Euro II, 4 xi lanh thẳng hàng, phun dầu điện tử, có turbo tăng áp; mô men xoắn cực đại đạt $38\text{ kgm}$ ($380\text{ Nm}$) tại $1600\text{ vòng/phút}$, công suất cực đại $140\text{ Ps}$ tại $2800\text{ vòng/phút}$.

Thiết kế và triển khai

Căn cứ vào điều kiện làm việc của xe khách 25 chỗ, tác giả đã lựa chọn phương án thiết kế ly hợp ma sát khô 1 đĩa bị động, thường đóng, sử dụng lò xo ép cơ khí và cơ cấu ngắt ly hợp điều khiển thủy lực.

Thông số thiết kế Ký hiệu / Giá trị Đơn vị Cơ sở và điều kiện kiểm tra
Hệ số dự trữ ly hợp $\beta = 1,5$ - Tiêu chuẩn xe khách du lịch ($\beta = 1,3 \div 1,75$)
Mô men xoắn cực đại động cơ $M_{e \max} = 380$ Nm Theo thông số động cơ D4DD-CRDi
Mô men ma sát tính toán $M_c = 570$ Nm $M_c = \beta \cdot M_{e \max}$
Số lượng đĩa bị động $Z_i = 1$ Đĩa Kết cấu 1 đĩa ma sát
Số đôi bề mặt ma sát $Z = 2$ Đôi Tiếp xúc bánh đà và đĩa ép
Hệ số ma sát bề mặt $\alpha = 0,3$ - Vật liệu ma sát Phêrađô
Đường kính ngoài vành ma sát $D = 360$ mm Bán kính ngoài $R = 180\text{ mm}$
Đường kính trong vành ma sát $d = 200$ mm Bán kính trong $r = 100\text{ mm}$
Bán kính ma sát trung bình $R_{tb} = 138$ mm Tính từ kích thước $D$ và $d$
Lực ép tổng của các lò xo $F_0 = 6884,02$ N Tạo áp lực lên bề mặt ma sát
Áp suất bề mặt ma sát $q = 0,219$ MPa Thỏa mãn $[q] = 0,25\text{ MPa}$
Công trượt khi khởi hành $W = 3,1$ J Tính tại vận tốc góc ban đầu $\omega_0 = 1,04\text{ rad/s}$
Công trượt riêng $w = 4,4 \cdot 10^{-3}$ $\text{J/cm}^2$ Phân bố trên diện tích bề mặt tiếp xúc
Độ tăng nhiệt độ chi tiết $\Delta t = 3,6 \cdot 10^{-4}$ $^\circ\text{C}$ Thỏa mãn $[\Delta t] \le 10\text{ K}$
Vật liệu đĩa thụ động Thép 50 - Dày $2\text{ mm}$, xẻ rãnh 12 đường, tôi dầu
Vật liệu xương đĩa bị động Thép 65 - Dày $2\text{ mm}$, tôi thể tích
Chiều dày tấm ma sát $\delta = 4$ mm Vật liệu Phêrađô
Đinh tán liên kết Đồng ($d = 4\text{ mm}$) mm Bố trí 2 dãy: $r_1 = 140\text{ mm}$, $r_2 = 170\text{ mm}$
Lực tác dụng lên đinh tán $F_1 = 448$; $F_2 = 665,9$ N Kiểm tra ứng suất cắt và dập

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Những vấn đề chung về ly hợp

Chương 1 trình bày bức tranh tổng quan về ngành công nghiệp ô tô trên thế giới và tại Việt Nam, phân tích các xu hướng phát triển công nghệ tự động hóa, xe thông minh, cùng các chính sách điều tiết thị trường trong nước. Về mặt kỹ thuật, chương này nêu rõ công dụng, yêu cầu kỹ thuật và 4 tiêu chí phân loại ly hợp trên ô tô:

  • Phân loại theo phương pháp truyền mô men: Ly hợp ma sát (dạng đĩa, hình nón, hình trống; ma sát khô hoặc ướt), ly hợp thủy lực, ly hợp điện từ và ly hợp liên hợp.
  • Phân loại theo trạng thái làm việc: Ly hợp thường đóng (chiếm đa số trên ô tô) và ly hợp thường mở.
  • Phân loại theo phương pháp dẫn động điều khiển: Dẫn động cơ khí, dẫn động thủy lực kết hợp cơ khí, và dẫn động có trợ lực (lò xo, thủy lực, khí nén).
  • Phân loại theo phương pháp phát sinh lực ép: Ly hợp dùng lò xo (lò xo trụ, lò xo đĩa/màng), ly hợp điện từ, ly hợp ly tâm và ly hợp nửa ly tâm.

Đồng thời, chương 1 mô tả cấu tạo các cụm bộ phận chính (phần chủ động, phần bị động, cơ cấu điều khiển ngắt mở, vòng bi cắt ly hợp) cùng nguyên lý truyền công suất và xác định mục tiêu, đối tượng, phương pháp nghiên cứu của đề tài.

Chương 2: Chọn phương án thiết kế

Chương 2 tiến hành phân tích, so sánh ưu và nhược điểm của 4 phương án kết cấu ly hợp nhằm lựa chọn giải pháp tối ưu cho xe khách Hyundai County 25 chỗ:

  • Phương án 1 (Ly hợp ma sát khô): Khảo sát kết cấu loại 1 đĩa và 2 đĩa. Ly hợp 1 đĩa có kết cấu đơn giản, mở dứt khoát, thoát nhiệt tốt và trọng lượng phần bị động nhỏ; trong khi loại 2 đĩa truyền mô men lớn hơn, đóng êm dịu hơn nhưng kết cấu phức tạp và mở kém dứt khoát.
  • Phương án 2 (Ly hợp thủy lực): Truyền mô men qua dòng chất lỏng giữa bánh bơm và bánh tuabin, làm việc bền lâu và giảm tải trọng động, nhưng hiệu suất truyền lực thấp do hiện tượng trượt và không có khả năng tự biến đổi mô men.
  • Phương án 3 (Ly hợp điện từ): Đóng mở thông qua lực từ trường hoặc bột kim loại nhiễm từ, loại bỏ bàn đạp côn nhưng đòi hỏi nguồn điện mạnh, cấu tạo phức tạp và giá thành cao.
  • Phương án 4 (Ly hợp hỗn hợp / Ly hợp kép DCT): Sử dụng hai cụm ly hợp ướt hoặc khô hoạt động độc lập điều khiển các dãy số chẵn và lẻ, chuyển số nhanh nhưng cấu tạo rất phức tạp và chi phí sản xuất lớn.

Từ kết quả phân tích, tác giả kết luận chọn phương án Ly hợp ma sát khô 1 đĩa nhờ các ưu điểm: chế tạo đơn giản, đóng mở dứt khoát, khả năng tản nhiệt tốt, khối lượng nhỏ, thuận lợi cho việc bảo dưỡng và sửa chữa.

Chương 3: Tính toán thiết kế kỹ thuật

Chương 3 là nội dung trọng tâm của khóa luận, thực hiện toàn bộ các bước tính toán giải tích cho ly hợp xe Hyundai County:

  • Xác định mô men ma sát yêu cầu: Với mô men xoắn cực đại của động cơ $M_{e \max} = 380\text{ Nm}$ và hệ số dự trữ $\beta = 1,5$, mô men ma sát tính toán là $M_c = 570\text{ Nm}$.
  • Tính toán kích thước đĩa ma sát: Lựa chọn đường kính ngoài $D = 360\text{ mm}$, đường kính trong $d = 200\text{ mm}$ (bán kính tương ứng $R = 180\text{ mm}, r = 100\text{ mm}$), bán kính trung bình $R_{tb} = 138\text{ mm}$.
  • Xác định lực ép và áp suất bề mặt: Lực ép tổng của hệ thống lò xo lên đĩa ép là $F_0 = 6884,02\text{ N}$. Áp suất tiếp xúc sinh ra trên bề mặt ma sát là $q = 0,219\text{ MPa}$, nằm trong giới hạn cho phép $[q] = 0,25\text{ MPa}$.
  • Xác định công trượt và kiểm nghiệm nhiệt: Tính toán mô men quán tính quy dẫn $I_a = 5,4\text{ kg}\cdot\text{m}^2$, mô men cản quy dẫn $M_c' = 27,3\text{ Nm}$, xác định công trượt khi khởi hành $W = 3,1\text{ J}$, công trượt riêng $w = 4,4 \cdot 10^{-3}\text{ J/cm}^2$. Độ tăng nhiệt độ của các chi tiết bị nung nóng (với khối lượng $m_d = 8,78\text{ kg}$, tỷ nhiệt $c = 481,51\text{ J/kg}\cdot^\circ\text{C}$) là $\Delta t = 3,6 \cdot 10^{-4}\text{ }^\circ\text{C}$, thấp hơn nhiều so với giới hạn $[\Delta t] = 10\text{ K}$.
  • Tính toán các chi tiết cơ bản: Đĩa thụ động bằng thép 50 dày $2\text{ mm}$ được xẻ 12 rãnh hướng tâm (hoặc rãnh chữ T) để giảm độ cứng, chống cong vênh khi chịu nhiệt; xương đĩa bị động bằng thép 65 dày $2\text{ mm}$; tấm ma sát Phêrađô dày $4\text{ mm}$; đinh tán bằng đồng đường kính $4\text{ mm}$ bố trí theo hai vòng tròn bán kính $r_1 = 140\text{ mm}$ (chịu lực $F_1 = 448\text{ N}$) và $r_2 = 170\text{ mm}$ (chịu lực $F_2 = 665,9\text{ N}$).

Kết quả và đóng góp

  • Kết quả kỹ thuật: Đề tài đã hoàn thành việc tính toán đầy đủ các thông số động học, động lực học và kích thước kết cấu của cụm ly hợp ma sát khô 1 đĩa cho xe Hyundai County 25 chỗ. Các thông số tính toán đều thỏa mãn đầy đủ các điều kiện bền tiếp xúc ($q = 0,219\text{ MPa} \le 0,25\text{ MPa}$) và điều kiện nhiệt động học ($\Delta t = 3,6 \cdot 10^{-4}\text{ }^\circ\text{C} \le 10\text{ K}$).
  • Giải pháp đề xuất: Lựa chọn vật liệu và kết cấu cơ khí tối ưu cho các chi tiết chịu lực và chịu nhiệt (thép 50 tôi dầu cho đĩa thụ động, thép 65 tôi thể tích cho xương đĩa, đinh tán bằng đồng, tấm ma sát Phêrađô), định hình quy trình công nghệ tính toán phục vụ chế tạo phụ tùng thay thế.
  • Đóng góp: Đồ án hệ thống hóa phương pháp tính toán thiết kế ly hợp xe khách dựa trên thông số thực tế của động cơ diesel tăng áp D4DD-CRDi, cung cấp bộ số liệu tính toán chi tiết phục vụ công tác đào tạo và nghiên cứu kỹ thuật cơ khí ô tô.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Nội dung nghiên cứu mới tập trung chủ yếu vào tính toán phần đĩa ma sát, lực ép lò xo và kiểm nghiệm đinh tán, chưa thực hiện tính toán thiết kế chi tiết toàn bộ các cụm cơ cấu như xi lanh trợ lực dẫn động, lò xo giảm chấn xoắn và kết cấu vỏ ly hợp. Khóa luận dừng lại ở mức độ tính toán lý thuyết giải tích, chưa tiến hành mô phỏng số trên phần mềm chuyên ngành và chưa chế tạo mẫu thử nghiệm trên băng thử thực tế.
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Tiếp tục tính toán thiết kế chi tiết hệ thống dẫn động điều khiển có trợ lực; ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn để mô phỏng phân bố ứng suất nhiệt và biến dạng của đĩa ép; tiến hành thử nghiệm thực tế mẫu chế tạo để đánh giá độ mài mòn và tuổi thọ chi tiết.

Giá trị tham khảo

Tài liệu là nguồn tham khảo trực tiếp cho:

  • Sinh viên, học viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ khí Động lực khi thực hiện đồ án môn học Thiết kế Ô tô, Tính toán Hệ thống Truyền lực hoặc khóa luận tốt nghiệp chuyên ngành.
  • Cán bộ kỹ thuật, kỹ sư cơ khí sửa chữa ô tô cần tham khảo quy trình giải tích xác định thông số kích thước đĩa ma sát, lực ép lò xo, kiểm nghiệm công trượt và kiểm tra độ bền đinh tán ly hợp trên xe thương mại.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao tác giả lựa chọn ly hợp ma sát khô 1 đĩa thay vì ly hợp 2 đĩa hay ly hợp thủy lực cho xe Hyundai County 25 chỗ?
Tác giả lựa chọn ly hợp ma sát khô 1 đĩa vì loại này có kết cấu đơn giản, giá thành chế tạo thấp, mô men quán tính phần bị động nhỏ giúp việc đóng ngắt dứt khoát, tản nhiệt tốt, đồng thời rất thuận tiện cho quá trình bảo dưỡng và sửa chữa thay thế linh kiện trong điều kiện thực tế tại Việt Nam.

2. Các kích thước hình học chính và lực ép lò xo của cụm ly hợp được xác định là bao nhiêu?
Ly hợp được thiết kế với 1 đĩa bị động ($Z_i = 1$, số đôi bề mặt ma sát $Z = 2$), đường kính ngoài vành ma sát $D = 360\text{ mm}$, đường kính trong $d = 200\text{ mm}$, bán kính ma sát trung bình $R_{tb} = 138\text{ mm}$, chiều dày tấm ma sát $4\text{ mm}$, và tổng lực ép cần thiết của hệ thống lò xo là $F_0 = 6884,02\text{ N}$.

3. Khả năng chịu nhiệt của ly hợp trong quá trình đóng khớp được kiểm nghiệm ra sao?
Dựa trên công trượt tính toán khi khởi hành tại chỗ ($W = 3,1\text{ J}$) và khối lượng chi tiết bị nung nóng ($m_d = 8,78\text{ kg}$ với tỷ nhiệt $c = 481,51\text{ J/kg}\cdot^\circ\text{C}$), mức tăng nhiệt độ của đĩa trong một lần đóng là $\Delta t = 3,6 \cdot 10^{-4}\text{ }^\circ\text{C}$, nằm trong giới hạn cho phép ($[\Delta t] \le 10\text{ K}$), đảm bảo lò xo ép không bị ram hay mất tính đàn hồi.

4. Đĩa thụ động và các đinh tán liên kết sử dụng vật liệu gì và có đặc điểm kết cấu như thế nào?
Đĩa thụ động làm bằng thép 50 dày $2\text{ mm}$, được tôi trong dầu và xẻ 12 đường rãnh hướng tâm nhằm tăng tính đàn hồi và giảm hiện tượng cong vênh do nhiệt. Đinh tán liên kết làm bằng đồng đường kính $4\text{ mm}$, bố trí thành hai dãy có bán kính $r_1 = 140\text{ mm}$ (chịu lực $F_1 = 448\text{ N}$) và $r_2 = 170\text{ mm}$ (chịu lực $F_2 = 665,9\text{ N}$).

5. Hệ số dự trữ ly hợp $\beta$ được chọn bằng bao nhiêu và ý nghĩa kỹ thuật của thông số này là gì?
Hệ số dự trữ được chọn là $\beta = 1,5$ (nằm trong dải tiêu chuẩn cho ô tô du lịch và xe khách $\beta = 1,3 \div 1,75$). Thông số này đảm bảo ly hợp truyền được toàn bộ mô men cực đại của động cơ ($M_{e \max} = 380\text{ Nm}$) ngay cả khi bề mặt ma sát bị mòn hoặc lò xo giảm tính đàn hồi, đồng thời tránh kích thước đĩa quá lớn gây quá tải cho hệ thống truyền lực.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Chí Anh đã thực hiện đầy đủ quy trình tính toán, thiết kế kỹ thuật cho cụm ly hợp ma sát khô 1 đĩa trên xe khách 25 chỗ Hyundai County. Toàn bộ các thông số kích thước hình học, lực ép, áp suất tiếp xúc, công trượt và chỉ tiêu nhiệt động học đều được xác định rõ ràng, thỏa mãn các tiêu chuẩn kỹ thuật chuyên ngành. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở tài liệu phục vụ công tác tính toán thiết kế và định hướng chế tạo linh kiện thay thế cho ngành kỹ thuật ô tô trong nước.