Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong kỹ thuật ô tô, ly hợp đóng vai trò là cơ cấu nối - ngắt truyền động giữa động cơ và hệ thống truyền lực, đồng thời là cơ cấu an toàn bảo vệ các cụm chi tiết phía sau khi xảy ra quá tải. Đồ án "Tính toán thiết kế ly hợp ô tô" được thực hiện tại Bộ môn Kỹ thuật Ô tô, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Duy Tân nhằm tổng hợp kiến thức chuyên ngành và ứng dụng tính toán thực tiễn cho dòng xe con bán tải hai cầu chủ động.

Về bối cảnh thực tiễn, phương tiện giao thông vận tải đòi hỏi sự hoàn thiện liên tục về kỹ thuật để nâng cao tính êm dịu, độ tin cậy và sự thuận tiện trong điều khiển. Đối với dòng xe con có tính cơ động cao, việc đóng mở ly hợp diễn ra với tần suất lớn trên nhiều dạng địa hình, đặt ra yêu cầu thiết kế cụm ly hợp gọn nhẹ, lực điều khiển bàn đạp nhỏ và khả năng thoát nhiệt cao.

Nhiệm vụ thiết kế của đề tài bao gồm 5 nội dung chính:

  1. Tổng quan về kết cấu và nguyên lý làm việc của các loại ly hợp trên ô tô.
  2. Phân tích, đánh giá ưu nhược điểm và lựa chọn phương án thiết kế ly hợp và sơ đồ dẫn động.
  3. Tính toán xác định các thông số hình học, cơ học và nhiệt của ly hợp.
  4. Tính toán thiết kế hệ thống điều khiển (dẫn động) ly hợp.
  5. Thiết lập bản vẽ kết cấu ly hợp khổ A0 và xây dựng đồ thị đặc tính làm việc.

Phạm vi nghiên cứu xác định theo thông số kỹ thuật cho trước của dòng xe con:

  • Loại phương tiện: Xe con (xe du lịch bán tải 2 cầu chủ động)
  • Khối lượng toàn bộ: $G = 2100 \text{ kg}$
  • Động cơ: Động cơ xăng, công suất cực đại $N_{e\max} = 75 \text{ kW}$ tại số vòng quay $n_N = 5800 \text{ vòng/phút}$, mô-men xoắn cực đại $M_{e\max} = 155 \text{ N.m}$ tại số vòng quay $n_M = 3000 \text{ vòng/phút}$
  • Bán kính làm việc trung bình của bánh xe: $r_b = 0,3 \text{ m}$
  • Tốc độ cực đại của xe: $v_{\max} = 150 \text{ km/h}$
  • Hệ số cản lớn nhất của đường: $\psi_{\max} = 0,33$
  • Thời gian thực hiện: 4 tháng

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng dựa trên hệ thống cơ sở lý thuyết ngành kỹ thuật ô tô máy kéo và tính toán động lực học truyền động ô tô, bao gồm các nguồn tài liệu:

  • Giáo trình "Lý thuyết ôtô máy kéo" (Nguyễn Hữu Cẩn, 2005, NXB Giáo dục).
  • Hướng dẫn thiết kế ôtô - Phần hệ thống truyền lực (Lê Văn Tụy, 2007, Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Đà Nẵng).
  • Giáo trình "Kết cấu và tính toán ô tô" (Nguyễn Hoàng Việt, 2015).

Phương pháp nghiên cứu và giải quyết vấn đề gồm:

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp so sánh: Khảo sát các dạng kết cấu ly hợp (ma sát cơ khí, thủy lực, điện từ; lò xo trụ bố trí xung quanh, lò xo đĩa côn; dẫn động cơ khí, dẫn động thủy lực, dẫn động có trợ lực) để lựa chọn giải pháp tối ưu cho phân khúc xe con.
  • Phương pháp tính toán giải tích cơ học: Xác định mô-men ma sát yêu cầu, lực ép của cơ cấu ép, kích thước hình vành khăn của đĩa ma sát, bề dày đĩa ép, công trượt và nhiệt sinh ra trong quá trình đóng ly hợp.
  • Phương pháp giải số phi tuyến: Sử dụng công cụ Solver của phần mềm Microsoft Excel để giải hệ phương trình đặc tính phi tuyến của lò xo đĩa nón cụt, xác định mối quan hệ giữa lực ép $F_{lx}$ và độ biến dạng $\lambda$.
  • Phương pháp kiểm nghiệm bền: Kiểm tra ứng suất cực đại tại các điểm nguy hiểm trên đòn mở và lò xo ép đĩa nón cụt so với giới hạn ứng suất cho phép $[\sigma]$.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về ly hợp ô tô

Chương này trình bày toàn diện về nhiệm vụ, yêu cầu kỹ thuật và phân loại cụm ly hợp trên ô tô:

  • Công dụng: Ly hợp là khớp nối giữa trục khuỷu động cơ và trục sơ cấp hộp số, cho phép ngắt dứt khoát động cơ khi gài số để tránh dập gãy răng hộp số, đóng êm dịu khi khởi hành để tránh giật xe, đồng thời tự động trượt để chống quá tải cho toàn bộ hệ thống truyền lực khi phanh đột ngột.
  • Yêu cầu kỹ thuật: Mô-men ma sát sinh ra phải lớn hơn mô-men xoắn cực đại của động cơ ($M_{ms} > M_{e\max}$), mở nhanh dứt khoát, đóng êm dịu, mô-men quán tính phần bị động phải nhỏ nhất nhằm giảm tải trọng va đập lên bộ đồng tốc, thoát nhiệt tốt và thao tác điều khiển nhẹ nhàng.
  • Hệ thống phân loại:
    • Theo tính chất truyền mô-men: Ly hợp ma sát cơ khí, ly hợp thủy lực, ly hợp điện từ.
    • Theo hình dạng bề mặt ma sát: Đĩa phẳng (1 đĩa, 2 đĩa, nhiều đĩa), đĩa côn, hình tang trống/guốc.
    • Theo cơ cấu tạo lực ép: Lò xo (lò xo trụ bố trí xung quanh, lò xo côn ở tâm, lò xo đĩa), loại nửa ly tâm, loại ly tâm.
    • Theo trạng thái làm việc: Loại thường đóng (sử dụng lò xo ép liên tục) và loại không thường đóng.
    • Theo hệ thống dẫn động: Dẫn động cơ khí, dẫn động thủy lực, dẫn động có trợ lực khí nén hoặc trợ lực lò xo.

Chương 2: Phân tích và lựa chọn phương án thiết kế

Chương 2 đi sâu phân tích sơ đồ cấu tạo, nguyên lý hoạt động, ưu nhược điểm của các dạng kết cấu ly hợp và hệ thống dẫn động:

  • Ly hợp ma sát 1 đĩa dùng lò xo trụ xung quanh: Có ưu điểm kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, thoát nhiệt tốt; tuy nhiên lực ép giữa các lò xo không đồng đều, khó căn chỉnh khe hở và lò xo dễ bị biến dạng cong do lực ly tâm ở tốc độ quay cao.
  • Ly hợp ma sát 2 đĩa dùng lò xo trụ xung quanh: Truyền được mô-men lớn với đường kính nhỏ, đóng êm nhưng kết cấu cồng kềnh, mô-men quán tính phần bị động lớn, hành trình mở bàn đạp dài và khó ngắt hoàn toàn dứt khoát.
  • Ly hợp ma sát 1 đĩa dùng lò xo đĩa côn nón cụt: Lực ép phân bố đều quanh chu vi, kích thước dọc trục nhỏ gọn, vừa đóng vai trò lò xo ép vừa làm đòn mở, hạn chế hiện tượng giảm lực ép ở tốc độ cao.
  • Hệ thống dẫn động: Phân tích dẫn động cơ khí thuần túy, dẫn động cơ khí trợ lực khí nén, dẫn động thủy lực và dẫn động thủy lực trợ lực khí nén.
  • Phương án lựa chọn:
    • Kiểu ly hợp: Ly hợp ma sát khô một đĩa bị động, thường đóng, sử dụng cơ cấu ép là lò xo đĩa côn (nón cụt xẻ rãnh).
    • Kiểu dẫn động: Dẫn động thủy lực thuần túy không trợ lực.

Chương 3: Tính toán xác định các thông số ban đầu và dẫn động ly hợp

Chương 3 tập trung vào toàn bộ các bước tính toán kích thước hình học, động học, lực học và kiểm nghiệm độ bền:

  • Tính toán đĩa bị động: Bán kính trong tấm ma sát $R_1 = 49,8 \text{ mm}$, bán kính ngoài tấm ma sát $R_2 = 90,5 \text{ mm}$, số đôi bề mặt ma sát $z_{ms} = 2$. Bề dày đĩa ép tính toán theo điều kiện chứa nhiệt $\delta \ge 17,5 \text{ mm}$, chọn thực tế $\delta = 20 \text{ mm}$. Tấm ma sát được dán bằng vật liệu pherado lên xương đĩa.
  • Tính toán cơ cấu ép lò xo đĩa côn:
    • Vật liệu: Thép Silic (60C, 60Si2A) hoặc thép mangan 65, các-bon 85 có ứng suất uốn cho phép $[\sigma] = 650 \div 850 \text{ MN/m}^2$ và ứng suất cực hạn $[\sigma] = 1000 \text{ MN/m}^2$.
    • Lực ép yêu cầu của lò xo: $F_{lx} = 3146,85 \text{ N}$ (với hệ số giãn nở $k_0 = 1,05$).
    • Kích thước hình học lò xo: Đường kính ngoài $D_e = 0,276 \text{ m}$ ($276 \text{ mm}$), đường kính qua mép xẻ rãnh $D_a = 0,204 \text{ m}$ ($204 \text{ mm}$), bề dày đĩa lò xo $\delta_d = 0,00306 \text{ m}$ ($3,06 \text{ mm}$), chiều cao phần nón cụt không xẻ rãnh $h = 0,00459 \text{ m}$ ($4,59 \text{ mm}$), đường kính đỉnh nón tiếp xúc ổ bi tỳ $D_i = 0,078 \text{ m}$ ($78 \text{ mm}$).
    • Tỷ số kích thước: $k_1 = D_a / D_e = 0,74$ (hoặc 0,073 theo quy ước bán kính); $k_2 = (D_a + D_e) / (2 D_e) = 0,87$.
    • Kiểm tra bền: Ứng suất lớn nhất tại điểm nguy hiểm khi mở ly hợp $\sigma = 473,94 \text{ MN/m}^2 < [\sigma] = 1000 \text{ MN/m}^2$, đảm bảo điều kiện bền mỏi.
  • Tính toán hệ thống dẫn động:
    • Tỷ số truyền bàn đạp: $i_{bd} = a / b = 304,8 / 40 = 7,62$.
    • Tỷ số truyền dẫn động trung gian: $i_{tg} = 1$.
    • Tỷ số truyền càng đẩy bạc mở: $i_{cm} = 2,0$.
    • Tỷ số truyền đòn mở (lò xo đĩa): $i_{dm} = 2,536$.
    • Tỷ số truyền chung của hệ thống: $i_{dk} = 7,62 \times 1 \times 2,0 \times 2,536 = 38,65$.
    • Lực bàn đạp tính toán: $F_{bd} = 65,87 \text{ N}$ (với lực mở đỉnh nón $F_{m\max} = 2163,93 \text{ N}$ và hiệu suất dẫn động $\eta_{dk} = 0,85$). Giá trị này nhỏ hơn nhiều so với tiêu chuẩn cho phép $[F_{bd}] = 150 \text{ N}$, khẳng định hệ thống vận hành nhẹ nhàng và không cần trang bị bộ trợ lực.
    • Kích thước thủy lực: Đường kính xylanh chính $D_c = 20 \text{ mm}$, đường kính xylanh công tác $D_{ct} = 20 \text{ mm}$, áp suất làm việc thỏa mãn giới hạn $[p_d] = 5 \div 10 \text{ MN/m}^2$.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống ly hợp và cơ cấu dẫn động thủy lực được thiết kế đồng bộ với các đặc tính kết cấu chi tiết như sau:

Cụm kết cấu Chi tiết kỹ thuật Chức năng và nguyên lý làm việc
Đĩa bị động & Bề mặt ma sát - Bán kính: $R_1 = 49,8 \text{ mm}$, $R_2 = 90,5 \text{ mm}$
- Bề dày đĩa ép: $\delta = 20 \text{ mm}$
- Vật liệu tấm ma sát: Pherado		 Truyền mô-men bằng ma sát khô, liên kết dán vào xương đĩa, hấp thụ nhiệt và truyền nhiệt ra môi trường qua thân đĩa ép dày $20 \text{ mm}$.
Lò xo ép đĩa nón cụt - Vật liệu: Thép đàn hồi 60Si2A / 60C
- $D_e = 276 \text{ mm}$, $D_a = 204 \text{ mm}$
- Chiều dày $\delta_d = 3,06 \text{ mm}$, $h = 4,59 \text{ mm}$		 Tạo lực ép $F_{lx} = 3146,85 \text{ N}$ để ép đĩa ép vào bánh đà; các nan xẻ rãnh hướng tâm đóng vai trò đòn mở khi chịu lực từ ổ bi tỳ.
Xylanh chính (Master Cylinder) - Đường kính: $D_c = 20 \text{ mm}$
- Đệm cánh đàn hồi bằng thép mỏng
- Lỗ bù dầu (14) & Lỗ thông (15)
- Van ngược (9) & Van một chiều (11)		 Chuyển lực đạp bàn đạp thành áp suất thủy lực; lỗ bù dầu bổ sung thể tích khi hao hụt; lỗ thông và van ngược duy trì áp suất dư nhỏ, chống lọt khí và tránh hẫng bàn đạp khi nhả nhanh.
Xylanh công tác (Slave Cylinder) - Đường kính: $D_{ct} = 20 \text{ mm}$
- Vòng làm kín cao su, bulong xả khí		 Tiếp nhận áp suất dầu từ xylanh chính đẩy piston và con đội tác động vào càng mở ly hợp; bulong xả khí đặt ở vị trí cao nhất để xả bọt khí.

Kết quả và đóng góp

Kết quả tính toán thiết kế chính

Các thông số kỹ thuật cốt lõi thu được sau quá trình tính toán và kiểm nghiệm được tổng hợp trong bảng dưới đây:

Đại lượng / Thông số Ký hiệu Giá trị tính toán Đơn vị
Bán kính trong đĩa ma sát $R_1$ 49,8 $\text{mm}$
Bán kính ngoài đĩa ma sát $R_2$ 90,5 $\text{mm}$
Bề dày đĩa ép chính $\delta$ 20 $\text{mm}$
Lực ép cần thiết của lò xo đĩa côn $F_{lx}$ 3146,85 $\text{N}$
Đường kính lớn nhất đĩa lò xo $D_e$ 276 $\text{mm}$
Đường kính mép xẻ rãnh đĩa lò xo $D_a$ 204 $\text{mm}$
Đường kính đỉnh nón tiếp xúc ổ bi tỳ $D_i$ 78 $\text{mm}$
Chiều dày đĩa lò xo $\delta_d$ 3,06 $\text{mm}$
Chiều cao phần nón cụt $h$ 4,59 $\text{mm}$
Ứng suất uốn lớn nhất của lò xo $\sigma$ 473,94 $\text{MN/m}^2$
Ứng suất uốn cho phép $[\sigma]$ 1000 $\text{MN/m}^2$
Tỷ số truyền bàn đạp $i_{bd}$ 7,62 -
Tỷ số truyền chung hệ thống điều khiển $i_{dk}$ 38,65 -
Lực đạp cần thiết trên bàn đạp $F_{bd}$ 65,87 $\text{N}$
Lực bàn đạp cho phép với xe con $[F_{bd}]$ 150 $\text{N}$
Đường kính xylanh chính $D_c$ 20 $\text{mm}$
Đường kính xylanh công tác $D_{ct}$ 20 $\text{mm}$

Đóng góp kỹ thuật

  • Xác lập được bộ thông số hình học và động học tối ưu cho cụm ly hợp ma sát một đĩa lò xo đĩa nón cụt xẻ rãnh trên xe con bán tải $2100 \text{ kg}$.
  • Chứng minh tính khả thi của hệ thống dẫn động thủy lực thuần túy với lực đạp $F_{bd} = 65,87 \text{ N}$ (thấp hơn nhiều so với giới hạn $150 \text{ N}$), giúp tinh giản kết cấu khi không phải lắp thêm bộ trợ lực phức tạp.
  • Ứng dụng công cụ giải số Excel Solver để xác định chính xác đặc tính làm việc phi tuyến của lò xo đĩa, làm cơ sở kiểm chứng điều kiện bền mỏi của cơ cấu ép.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Đồ án tập trung vào tính toán thiết kế giải tích và kiểm nghiệm tĩnh/bán tĩnh theo các công thức thực nghiệm kinh điển; chưa thực hiện mô phỏng số 3D (FEA) để phân tích phân bố trường ứng suất và trường nhiệt động học cục bộ trên đĩa ép trong điều kiện trượt ly hợp kéo dài.
  • Hướng phát triển: Nghiên cứu mở rộng việc mô phỏng động lực học quá trình đóng/mở ly hợp, khảo sát dao động xoắn và đánh giá độ bền mòn thực tế của vật liệu ma sát pherado trong các chu kỳ vận hành khắc nghiệt.

Giá trị tham khảo

Tài liệu là nguồn tham khảo phục vụ trực tiếp cho sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực, Công nghệ Kỹ thuật Ô tô khi thực hiện đồ án môn học Thiết kế Ô tô và đồ án tốt nghiệp:

  • Cung cấp quy trình tính toán mẫu cho cụm ly hợp sử dụng lò xo đĩa nón cụt xẻ rãnh.
  • Hướng dẫn phương pháp thiết lập quan hệ phi tuyến và giải thông số hình học lò xo bằng công cụ Solver.
  • Minh họa phương pháp tính toán thủy lực cho hệ thống dẫn động bàn đạp - xylanh chính - xylanh công tác.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao thiết kế ly hợp cho xe con trong đề tài không cần sử dụng bộ trợ lực dẫn động?
Kết quả tính toán động lực học cho thấy tỷ số truyền chung của hệ thống dẫn động đạt $i_{dk} = 38,65$, giúp lực đạp bàn đạp thực tế chỉ là $F_{bd} = 65,87 \text{ N}$. Giá trị này thấp hơn đáng kể so với ngưỡng tiêu chuẩn công thái học cho phép trên xe con là $[F_{bd}] = 150 \text{ N}$, do đó người lái vẫn vận hành nhẹ nhàng mà không cần trang bị bộ trợ lực khí nén hoặc chân không.

2. Lò xo đĩa côn nón cụt xẻ rãnh có ưu điểm gì so với cụm lò xo trụ bố trí xung quanh?
Lò xo đĩa côn nón cụt tạo lực ép phân bố đều khắp chu vi đĩa ép, không bị ảnh hưởng bởi lực ly tâm ở dải tốc độ động cơ cao (tránh cong võng lò xo). Đồng thời, các nan xẻ rãnh hướng tâm kiêm luôn nhiệm vụ của các đòn mở, giúp giảm số lượng chi tiết, giảm mô-men quán tính phần quay và thu gọn kích thước dọc trục của cụm ly hợp.

3. Lỗ bù dầu (14) và lỗ thông (15) trên xylanh chính có nhiệm vụ gì?
Lỗ bù (14) nối thông khoang làm việc với bình chứa dầu khi bàn đạp ở vị trí ban đầu để bổ sung dầu khi có hao hụt hoặc dầu co giãn do nhiệt. Lỗ thông (15) cho phép dầu đi từ khoang sau ra khoang trước piston khi người lái nhả bàn đạp đột ngột, làm cong mép cao su làm kín để điền đầy khoảng trống, ngăn ngừa hiện tượng lọt khí vào hệ thống thủy lực và tránh hẫng bàn đạp khi đạp nhồi.

4. Van ngược bố trí tại đầu ra xylanh chính có tác dụng gì?
Van ngược có nhiệm vụ duy trì một áp suất dư nhỏ trong đường ống dẫn động thủy lực khi người lái thôi tác dụng bàn đạp. Áp suất dư này giữ cho các gioăng cao su luôn áp sát thành xylanh và đường ống, ngăn không khí bên ngoài xâm nhập vào hệ thống dẫn động.

Kết luận

Đồ án đã hoàn thành trọn vẹn nhiệm vụ tính toán và thiết kế cụm ly hợp ma sát khô một đĩa sử dụng lò xo ép đĩa nón cụt xẻ rãnh và hệ thống dẫn động thủy lực cho xe con $2100 \text{ kg}$. Các thông số hình học, lực học và thủy lực được tính toán chi tiết, thỏa mãn đầy đủ các điều kiện bền ứng suất ($\sigma = 473,94 \text{ MN/m}^2 < 1000 \text{ MN/m}^2$) và yêu cầu công thái học bàn đạp ($F_{bd} = 65,87 \text{ N} < 150 \text{ N}$). Toàn bộ nội dung thuyết minh cùng hệ thống bản vẽ kết cấu A0 và đồ thị đặc tính là tài liệu kỹ thuật có tính hệ thống và giá trị tham khảo rõ ràng cho các đề tài thiết kế hệ thống truyền lực ô tô.