Đồ án liên môn pbl4 thiết kế hệ thống động lực ô tô nhiệm vụ tính toán thiết kế truyền lực chính vi sai bán trục truyền động cardan

Đồ án toán học nghiên cứu liên môn pbl4 thiết kế hệ thống động lực ô tô nhiệm vụ tính toán thiết kế truyền lực chính vi sai, thiết kế chi tiết, tính toán kỹ thuật theo tiêu chuẩn,

• Tác giả: Nhóm 4.3
• Người hướng dẫn: Trương Lê Hoàn Vũ
• Trường học: Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng
• Chuyên ngành: Cơ khí Động lực
• Đề tài: Tính toán thiết kế truyền lực chính – vi sai, bán trục, truyền động cardan
• Loại tài liệu: Đồ án liên môn
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Đà Nẵng

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống truyền lực ô tô

Hệ thống truyền lực ô tô là bộ phận quan trọng nhất trong cơ cấu động lực của xe, có nhiệm vụ truyền tải công suất từ động cơ đến bánh xe. Cầu chủ động ô tô bao gồm các chi tiết như vi sai, bán trục và cardan, làm việc phối hợp để đảm bảo xe hoạt động ổn định. Trong quá trình phát triển công nghiệp ô tô Việt Nam, thiết kế và sản xuất truyền lực chính đã trở thành một trong những lĩnh vực sản xuất trong nước với tiềm năng cao. Việc nắm vững nguyên lý hoạt động của cầu sau chủ động giúp kỹ sư tối ưu hóa hiệu suất xe, giảm mất mát năng lượng và cải thiện trải nghiệm lái xe.

1.1. Cấu trúc cầu chủ động

Cầu chủ động gồm các bộ phận chính: truyền lực chính, vi sai và bán trục. Truyền lực chính thực hiện chuyển đổi chiều quay từ dọc sang ngang, giảm tốc độ và tăng mômen xoắn. Bộ vi sai phân phối lực từ truyền lực chính tới hai bánh xe chủ động với các tỷ lệ khác nhau, cho phép bánh xe quay với vận tốc riêng biệt khi rẽ cua.

1.2. Vai trò của trục cardan

Trục cardan (hay truyền động cardan) có chức năng truyền tải mômen xoắn từ hộp số tới truyền lực chính với khả năng thay đổi góc độ. Thiết kế cardan với chốt chữ thập cho phép trục linh hoạt khi xe di chuyển trên các địa hình khác nhau, đảm bảo độ an toàn và hiệu suất truyền lực cao nhất.

II. Thiết kế vi sai ô tô

Vi sai là bộ phận cốt lõi của cầu chủ động, cho phép phân bố lực kéo không bằng nhau giữa hai bánh xe. Khi ô tô rẽ cua, bánh xe bên ngoài phải quay nhanh hơn bánh xe bên trong, bộ vi sai chính là cơ chế thực hiện điều này. Các thông số cơ bản của vi sai bao gồm: số răng bánh chậu, số răng bánh hành tinh, và tỷ số i của truyền lực chính. Tính toán ứng suất tiếp xúc cho phép của vi sai cần phải vượt quá các ứng suất thực tế dưới các chế độ làm việc lực kéo cực đại, phanh cực đại và lực ngang cực đại để đảm bảo tuổi thọ.

2.1. Cấu tạo bộ vi sai

Bộ vi sai bao gồm: vỏ vi sai, bánh chậu, bánh hành tinh, chốt và ổ bi. Vỏ vi sai là vỏ ngoài chứa toàn bộ chi tiết bên trong. Bánh chậu được gắn cố định với vỏ vi sai, nhận chuyển động từ truyền lực chính. Bánh hành tinh được lắp trên chốt chữ thập của vỏ vi sai, có chức năng phân bố lực tới hai trục bán trục.

2.2. Tính toán bền vi sai

Tính toán bền vi sai thực hiện kiểm tra ứng suất tiếp xúc trên bề mặt răng và ứng suất uốn tại gốc răng. Chốt của bánh hành tinh phải chịu được lực cắt từ bánh hành tinh, bulong liên kết vỏ vi sai và bánh chậu phải chịu được lực căng từ mômen xoắn. Ổ bi vỏ vi sai phải có khả năng chịu tải trọng kết hợp từ lực xuyên trục và lực hướng tâm.

III. Thiết kế bán trục và trục cardan

Bán trục là trục truyền động nối từ vi sai đến bánh xe, chịu các lực: kéo (Pk), phanh (Zp), ngang (Y) và thẳng đứng (Fz). Đây là một chi tiết chịu tải trọng phức tạp và yêu cầu thiết kế chính xác. Trục cardan là bộ phận truyền tải mômen xoắn từ hộp số tới truyền lực chính với khả năng thay đổi góc độ. Thiết kế cardan phải đảm bảo độ chính xác cao, vì sai lệch nhỏ có thể gây rung động không mong muốn. Tính toán số vòng quay nguy hiểm của cardan giúp tránh hiện tượng cộng hưởng, đảm bảo an toàn khi xe hoạt động ở các vận tốc cao.

3.1. Thiết kế bán trục

Bán trục được tính toán với các trường hợp tải trọng khác nhau. Khi lực kéo đạt cực đại, bán trục chịu moment uốn lớn từ tác dụng của bánh xe. Kích thước mặt cắt ngang của bán trục được xác định từ điều kiện bền, sau đó tiến hành kiểm tra ứng suất tại các vị trí nguy hiểm. Mối ghép then hoa giữa bán trục và vi sai phải chịu được lực cắt từ mômen xoắn tối đa.

3.2. Thiết kế trục cardan

Trục cardan gồm trục các đăng chính được nối với hộp số và truyền lực chính thông qua chốt chữ thập. Tính toán kích thước trục dựa trên ứng suất xoắn cho phép của vật liệu. Nạng cardan (khớp universal) cho phép trục thay đổi góc khi xe di chuyển. Các đăng phải được kiểm tra khả năng chịu tải và cân bằng động để giảm rung động.

IV. Tính toán thiết kế truyền lực chính

Truyền lực chính là bộ phận cốt lõi của cầu chủ động, bao gồm bánh pinion (bánh nhỏ) và bánh chậu (bánh lớn). Chức năng chính của truyền lực chính là giảm tốc độ, tăng mômen xoắn và thay đổi chiều truyền lực từ dọc sang ngang. Tỷ số truyền i của truyền lực chính ảnh hưởng trực tiếp tới đặc tính lực kéo và tốc độ tối đa của xe. Tính toán kiểm tra bền bánh răng truyền lực chính bao gồm kiểm tra ứng suất tiếp xúc Hertz và ứng suất uốn tại gốc răng, đảm bảo tuổi thọ thiết kế không dưới 5000 giờ làm việc.

4.1. Thông số cơ bản truyền lực chính

Truyền lực chính được xác định bằng: số răng bánh pinion (z1), số răng bánh chậu (z2), mô đun m, góc áp lực α, và hệ số chế độ làm việc. Tỷ số truyền i = z2/z1 thường nằm trong khoảng 3-5 cho ô tô con. Lựa chọn tải trọng tính toán dựa trên mô men xoắn cực đại từ động cơ nhân với hệ số quá tải và điều kiện làm việc thực tế của xe.

4.2. Kiểm tra bền và tính toán ổ

Kiểm tra ứng suất tiếp xúc cho phép được xác định dựa trên độ cứng bề mặt của vật liệu và hệ số an toàn. Ứng suất uốn tại gốc răng phải thấp hơn giới hạn cho phép để tránh gãy răng. Trục bánh pinion và bánh chậu phải được tính toán kích thước và lựa chọn ổ bi phù hợp, đảm bảo độ cứng và độ ổn định của hệ thống.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC TRÊN Ô TÔ 1. Hệ thống truyền lực trên ô tô là hệ thống tập hợp tất cả các cơ cấu và bộ phận có nhiệm vụ truyền momen từ động cơ đến các bánh xe chủ động để giúp xe di chuyển. Hệ thống này cũng đảm bảo sự thay đổi momen và tốc độ phù hợp với các điểu kiện vận hành khác nhau của xe. Hệ thống này là một hệ thống vô cùng quang trọng trên xe ô tô, mỗi vấn đề hư hỏng của hệ thống truyền lực sẽ ảnh hường rất lớn đến khả năng vận hành, người trên xe và cả các phương tiện khác tham gia giao thông.

Truyền và biến đổi mô men xoắn từ động cơ đến bánh xe chủ động: Chuyển đổi momen xoắn từ trục khuỷu động cơ đến các bánh xe chủ động để xe di chuyển. Đảm bảo momen xoắn được truyền một cách hiệu quả mà không bị thất thoát nhiều năng lượng. Thay đổi momen xoắn và tốc độ quay: Thông qua hộp số, hệ thống truyền lực cho phép thay đổi tỉ số truyền để phù hợp với từng điều kiện vận hành (khởi động, tăng tốc, leo dốc, tải nặng). Ngắt và kết nối công suất từ động cơ đến hệ thống truyền lực: Ly hợp có nhiệm vụ ngắt dòng công suất từ động cơ đến bánh xe chủ động khi người lái muốn dừng xe hoặc chuyển số.

Giảm tải cho động cơ: Thông qua việc điều chỉnh tỉ số truyền, hệ thống truyền lực giúp giảm tải cho động cơ khi xe di chuyển ở tốc độ cao hoặc tải nặng. – Truyền công suất từ động cơ đến bánh xe chủ động với hiệu suất cao, độ tin cậy lớn. – Thay đổi tỉ số truyền giữa động cơ và bánh xe một cách linh hoạt. 7 – Làm việc êm dịu và ít tiếng ồn.

– Các bộ phận trong hệ thống truyền lực cần có độ bền cao, hoạt động ổn định trong thời gian dài. – Hệ thống truyền lực cần có kết cấu đơn giản và dễ bảo dưỡng để giảm thiểu chi phí và thời gian sửa chữa. Hệ thống truyền lực trên ô tô được phân loại dựa trên cấu trúc, cách bố trí các bộ phận của hệ thống truyền lực và cách truyền động đến bánh xe. Hiện nay, có những loại phổ biến sau.

 Động cơ đặt trước – Bánh trước chủ động. – Trên xe với động cơ đặt trước cầu trước chủ động. Động cơ, ly hơp, hộp số, cầu chủ động tạo nên một khối lượng lớn. Momen động cơ không truyền xa đến bánh sau, mà đưa trực tiếp đến các bánh trước.

– Bánh trước dẫn động rất có lợi khi xe quay vòng và đường trơn. Sự ổn định hướng tuyệt vời này tạo được cảm giác lái xe khi quay vòng. Do không có trục cardang nên gầm xe thấp hơn giúp hạ được trọng tâm của xe, làm cho xe ổn định khi di chuyển.  Động cơ đặt trước – Bánh sau chủ động.

– Loại này làm cho động cơ được làm mát dễ dàng. Tuy nhiên, ở bên trong thân xe không được tiện nghi ở trung tâm do trục cardang đi qua nó. Điều này là không tiện nghi nếu gầm xe ở mức quá thấp. – Bánh sau dẫn động rất có lợi khi xe di chuyển trên địa hình đường dốc.

 Động cơ đặt trước – Cả 4 bánh chủ động (4WD). – Thường được sử dụng trên các xe cần hoạt động ở tất cả các loại địa hình. – Các xe 4WD hiện nay được chia thành hai loại chính là 4WD toàn thời gian và 4WD bán thời gian. Khác với xe 1 cầu chủ động, điểm đặc trưng của xe 4WD là có các bộ vi sai phía trước và phía sau.

Mục đích là để triệt tiêu sự chênh lệch của các bánh xe khi vào đường vòng. 8 – Đòi hỏi có hộp số phụ để phân phối momen xoắn từ động cơ đến cầu chủ động trước và sau.  Động cơ phía sau – Bánh sau chủ động. – Thường được sử dụng cho các xe du lịch cỡ lớn, loại này giuớ giảm tiếng ồn khi xe hoạt động – Xe có động cơ đặt phía sau có trọng tâm dồn nhiều vào trục sau, giúp cải thiện độ bám đường cho bánh xe chủ động.

 Kiểu truyền động xe hybrid. – Ô tô hybrid là dòng ôtô sử dụng động cơ tổ hợp. Động cơ hybrid là sự kết hợp giữa động cơ đốt trong thông thường với một động cơ điện dùng năng lượng ắc quy. Bộ điều khiển điện tử sẽ quyết định khi nào thì dùng động cơ điện, khi nào thì dùng động cơ đốt trong, khi nào dùng vận hành đồng bộ và khi nào nạp điện vào ắc quy để sử dụng về sau.

Ưu điểm lớn nhất của xe hybrid là giảm ô nhiễm môi trường, một vấn đề quan trọng hiện nay. – Xe hybrid tận dụng năng lượng khi phanh: khi phanh, năng lượng phanh được tận dụng để tạo ra dòng điện nạp cho ắc quy. – Động cơ điện được dùng trong các chế độ gia tốc hoặc tải lớn nên động cơ đốt trong chỉ cần cung cấp công suất vừa đủ, vì vậy động cơ đốt trong có kích thước nhỏ gọn. – Có thể sử dụng vật liệu nhẹ để giảm khối lượng tổng thể của ô tô.

Tổng quan về cầu chủ động của ô tô. - Cầu chủ động là bộ phận kết nối giữa hệ thống truyền lực và bánh xe chủ động. - Cầu chủ động bao gồm: bộ vi sai, bánh răng truyền lực, bán trục và các cơ cấu truyền động khác. - Truyền momen từ động cơ đến hai bánh xe giúp xe chuyển động.

- Chịu tải trọng từ khung xe và bánh xe, giúp phân bố trọng lượng đồng đều và đảm bảo xe ổn định khi di chuyển. 9 - Duy trì độ bám đường tốt, tăng khả năng kiểm soát xe trong các tình huống phức tạp. - Đảm bảo độ bền cơ học cao, độ cứng vững khi hoạt động. - Có tỷ số truyền cần thiết phù hợp với yêu cầu làm việc.

- Phải có hiệu suất làm việc cao, không gây tiếng ồn khi hoạt động. - Dễ bảo dưỡng, sửa chữa. Các bộ phận chính của cầu chủ động. Truyền động các đăng dùng để truyền moment xoắn giữa các trục không nằm trên cùng một đường thẳng,mà cắt nhau dưới một góc nào đó ( trị số góc thay đổi ),tức là dùng để truyền moment quay từ trục của hộp số ( hộp phân phối) đến các cầu chủ động và các bánh xe chủ động.

- Đảm bảo khi truyền moment không có những dao động ,va đập, không có tải trọng động lớn do moment quán tính gây ra. - Các trục các đăng phải đảm bảo quay đều, không sinh ra tải trọng động và không có hiện tượng cộng hưởng. - Hiệu suất truyền động phải cao cả với khi góc α giữa hai trục lớn. - Kết cấu gọn nhẹ, thuận tiện khi sử dụng chăm sóc.

Cácđăng có thể chia theo : công dụng, đặc điểm động học, số khớp, kết cấu Theo công dụng: - Cácđăng nối giữa hộp số chính với cầu chủ động. - Cácđăng nối giữa cầu chủ động với bánh xe. Theo đặc điểm động học: - Các đăng khác tốc : Tốc độ quay của trục chủ động và trục bị động khác nhau. 10 - Các đăng đồng tốc : Tốc độ quay trục chủ động và trục bị động bằng nhau.

Theo số khớp các đăng: - Loại đơn ( với một khớp nối các đăng). - Loại nhiều khớp các đăng. Theo kết cấu các đăng: - Loại khác tốc gồm: loại cứng và loại mềm. - Loại đồng tốc gồm : đồng tốc kép, đồng tốc cam, đồng tốc bi với các rãnh phân chia, loại đồng bi với đòn phân chia.

Đối với xe tải Thaco FD700 thì nhóm chúng em chọn trục các đăng loại đơn, dạng rỗng. Vì chiều dài của xe tương đối ngắn nên chỉ dùng các đăng loại đơn (1 khớp nối) và Trục rỗng có ưu điểm nổi trội nhờ khối lượng nhỏ, số vòng quay nguy hiểm (số vòng quay mà trục các đăng xe ô tô có thể bị đứt, gãy) lớn và có thể thay đổi được độ dài. Tuy nhiên, nhược điểm cơ bản là có kích thước khá lớn do đó trục chỉ sử dụng ở những vị trí không bị hạn chế về mặt không gian Hình 1: Trục các đăng 11 1. Nguyên lý hoạt động Truyền động cácđăng gồm có các trục, ống rãnh răng dọc, khớp, khớp nối chữ thập, gối đỡ trung gian với vòng bi.Trục truyền động các đăng chế tạo bằng thép ống.Đầu sau hàn với tai lắp khớp nối chữ thập,đầu trước có rãnh dọc và ống rãnh răng lắp lồng vào chỗ rãnh răng dọc ở đầu trước trục.Nhờ có sự trượt qua lại của ống rãnh răng nên trục các đăng có thể co ngắn hoặc kéo dài ra.

Để giảm chấn động nên chiều dài của trục không lớn, để dạt mục đích của ô tô có lắp thêm trục các đăng trung gian, một đầu cuối của trục nối với trục bị động của hộp số, đầu thứ hai nối với trục các đăng chính.Trục trung gian lắp trên gối đỡ trung gian. Truyền lực chính. Truyền lực chính là cơ cấu biến đổi mômen trong hệ thống truyền lực nằm giữa các bánh xe chủ động của nó. Truyền lực chính là để tăng mômen xoắn và truyền momen xoắn qua bộ vi sai đến các bán trục đặt dưới một góc nào đó (thường là 90 độ) đối với trục dọc của xe.

- Phải đảm bảo tỉ số truyền cần thiết để phù hợp với chất lượng kéo và tính kinh tế nhiên liệu tốt nhất. - Đảm bảo hiệu suất truyền động phải cao ngay cả khi thay đổi nhiệt độ và tốc độ quay. - Đảm bảo có độ cứng vững tốt, làm việc không ồn để tăng thời gian làm việc. - Có kích thước chiều cao không lớn để tăng khoảng sáng gầm xe.

- Đảm bảo độ cứng vững của vỏ, các ổ trục.  Theo loại truyền lực chính: – Loại bánh răng côn với loại bánh răng cong gồm có:  Loại truyền động thông thường: Tâm trục các bánh răng cắt nhau tại một điểm.  Loại truyền động HYPOID: Tâm trục các bánh răng không cắt nhau mà nằm trong hai mặt phẳng. – Loại truyền động bánh răng thẳng.

 Theo cặp bánh răng ăn khớp: – Loại đơn: với một cặp bánh răng ăn khớp, có tỷ số truyền nhỏ (i = 1-3). – Loại kép: với hai cặp bánh răng ăn khớp, có tỷ số truyền lớn (i = 5-12). – Trong loại này có thể phân ra: bánh răng nón và bánh răng trụ, bánh răng non trong truyền lực chính và bánh răng trụ tring truyền lực cạnh.  Theo cấp tỷ số truyền: – Loại một cấp tỷ số truyền không đổi.

– Loại nhiều cấp tỷ số truyền (thường là hai cấp). Hình 2: Các dạng truyền lực chính đơn a. TLC dạng bánh răng côn, b.TLC dạng Hypoit, c.