Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Hệ thống truyền lực trên ô tô đảm nhận vai trò tiếp nhận và truyền mô-men xoắn từ động cơ đến các bánh xe chủ động, quyết định trực tiếp đến hiệu quả vận hành và tính năng động lực của phương tiện. Vị trí khởi đầu của chuỗi truyền lực này là cụm ly hợp – cơ cấu đóng vai trò khớp nối trung gian, cho phép kết nối hoặc cắt truyền động một cách êm dịu, dứt khoát, đồng thời bảo vệ các cụm chi tiết trong hệ thống truyền lực khỏi tình trạng quá tải do mô-men quán tính gây ra.

Trong phân khúc xe đô thị cỡ nhỏ (hạng A) tại thị trường Việt Nam, mẫu xe Kia Morning do Tập đoàn THACO lắp ráp và phân phối giữ vị trí phổ biến nhờ tính kinh tế và thiết kế phù hợp với giao thông đô thị. Phiên bản Kia Morning 1.25 MT 2016 sử dụng hộp số sàn 5 cấp kết hợp cùng ly hợp ma sát khô một đĩa là đối tượng thực tế điển hình để nghiên cứu cơ cấu truyền lực truyền thống.

Đề tài đặt ra các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể sau:

  1. Tổng quan cơ sở lý thuyết về phân loại, cấu tạo hệ thống ly hợp và tổng quan thông số kỹ thuật của dòng xe cơ sở Kia Morning 1.25 MT 2016.
  2. Phân tích nguyên lý hoạt động và kết cấu chi tiết của cụm ly hợp ma sát khô một đĩa kết hợp cơ cấu dẫn động điều khiển bằng thủy lực.
  3. Tính toán thiết kế các kích thước hình học cơ bản, xác định lực ép, tính toán kiểm tra công trượt, công trượt riêng và độ gia tăng nhiệt độ khi xe khởi hành tại chỗ.
  4. Kiểm nghiệm bền các chi tiết chịu tải chủ yếu: lò xo màng (lò xo đĩa), đinh tán ghép tấm ma sát, đinh tán moay-ơ và then hoa moay-ơ đĩa bị động.
  5. Tổng hợp quy trình tháo lắp, bảo dưỡng, điều chỉnh hành trình tự do bàn đạp ly hợp và chẩn đoán các hư hỏng thường gặp trong quá trình vận hành.
  • Đối tượng nghiên cứu: Cụm ly hợp khô ma sát một đĩa dẫn động thủy lực, sử dụng lò xo màng trang bị trên xe Kia Morning 1.25 MT 2016.
  • Phạm vi nghiên cứu: Không gian nghiên cứu thực hiện tại Khoa Cơ khí Động lực, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh; thời gian hoàn thành vào tháng 12 năm 2023.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài áp dụng khung lý thuyết chuyên ngành Thiết kế Ô tô và Sức bền Vật liệu nhằm xây dựng các mô hình giải tích cho bộ ly hợp ma sát:

  • Lý thuyết ma sát và truyền mô-men: Xác định mô-men ma sát tính toán thông qua hệ số dự trữ $\beta$, mô-men xoắn cực đại của động cơ $M_{e\max}$, hệ số ma sát $\mu$ giữa các bề mặt làm việc và bán kính ma sát trung bình $R_{tb}$.
  • Lý thuyết động lực học quá trình đóng ly hợp: Mô hình hóa hai giai đoạn trượt của ly hợp khi khởi động tại chỗ để tính toán công trượt tiêu hao ($L_1, L_2$), công trượt riêng ($l_0$) và sự biến đổi nhiệt lượng làm nóng các chi tiết chủ động.
  • Lý thuyết biến dạng đàn hồi và sức bền chi tiết máy: Phương pháp giải tích ứng suất uốn/nén của lò xo màng dựa trên lý thuyết nón cụt đàn hồi; phương pháp kiểm tra ứng suất cắt ($\tau_c$) và ứng suất dập ($\sigma_{cd}$) đối với đinh tán và mối ghép then hoa.

Phương pháp nghiên cứu:

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp: Thu thập, đối chiếu tài liệu kỹ thuật của nhà sản xuất Kia/THACO và giáo trình chuyên ngành để lựa chọn kết cấu phù hợp.
  • Phương pháp tính toán giải tích kỹ thuật: Áp dụng các công thức kinh nghiệm và công thức giải tích chuẩn trong ngành ô tô để xác định kích thước, tải trọng và ứng suất.
  • Phương pháp so sánh và kiểm chứng tiêu chuẩn: Đánh giá kết quả tính toán dựa trên các giới hạn ứng suất cho phép $[\tau_c], [\sigma_{cd}], [\sigma]$ và giới hạn nhiệt độ tăng cho phép $[T]$.

Nguồn dữ liệu sử dụng: Thông số kỹ thuật động cơ xăng 4 kỳ 4 xy-lanh G4LA (dung tích 1.25L, công suất cực đại 64 kW tại 6000 vòng/phút, mô-men xoắn cực đại 120 Nm tại 4000 vòng/phút), các tỉ số truyền hệ thống truyền lực và kích thước hình học của xe Kia Morning 1.25 MT 2016 do THACO công bố.

Thiết kế và triển khai

Cụm ly hợp trên xe Kia Morning 1.25 MT 2016 được thiết kế theo dạng ly hợp ma sát khô một đĩa, sử dụng lò xo ép dạng đĩa màng và hệ thống dẫn động điều khiển bằng thủy lực.

Thông số thiết kế / kiểm nghiệm Ký hiệu Giá trị tính toán Đơn vị Tiêu chuẩn / Giới hạn cho phép
Hệ số dự trữ ly hợp $\beta$ 1,5 (tính lại: 1,65) - $1,3 \div 1,75$
Mô-men ma sát cần truyền $M_e$ 180 $\text{N}\cdot\text{m}$ $M_e > M_{e\max}$ ($120\text{ N}\cdot\text{m}$)
Đường kính ngoài đĩa ma sát $D_2$ 160 $\text{mm}$ Phù hợp đường kính bánh đà
Bán kính trong đĩa ma sát $R_1$ 50 $\text{mm}$ $42,4 \div 60\text{ mm}$
Bán kính ma sát trung bình $R_{tb}$ 65 $\text{mm}$ -
Bề dày tấm ma sát $d$ 4 $\text{mm}$ Thông số tiêu chuẩn xe con
Lực ép tổng thể của lò xo màng $P_\Sigma$ 3956,04 $\text{N}$ -
Thời gian đóng ly hợp giai đoạn 1 $t_1$ 0,056 $\text{s}$ -
Thời gian đóng ly hợp giai đoạn 2 $t_2$ 1,603 $\text{s}$ -
Tổng công trượt khi khởi hành $L$ 38338,48 $\text{J}$ -
Công trượt riêng $l_0$ 119,55 $\text{J/cm}^2$ Thỏa mãn điều kiện mài mòn
Độ gia tăng nhiệt độ đĩa ép $\Delta T$ 7,67 $^\circ\text{C}$ $\le [T] = 10^\circ\text{C}$
Ứng suất đinh tán đĩa ma sát $\tau_c, \sigma_{cd}$ Đạt tiêu chuẩn $\text{MPa}$ $[\tau_c] = 30\text{ MPa}, [\sigma_{cd}] = 80\text{ MPa}$
Ứng suất cắt đinh tán moay-ơ $\tau_c$ 26,53 $\text{MPa}$ $\le [\tau_c] = 30\text{ MPa}$
Chiều dài và đường kính then hoa $L = D$ 32 $\text{mm}$ Số then hoa $z_2 = 12$

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về Kia Morning 1.25MT 2016 và hệ thống ly hợp trên xe ôtô

Chương 1 trình bày lịch sử phát triển của dòng xe Kia Morning từ khi xuất hiện lần đầu năm 2003 tại Triển lãm Frankfurt (dưới các tên gọi Picanto, EuroStar) đến thế hệ thứ hai (2011 đến nay) được THACO lắp ráp tại Việt Nam. Văn bản nêu rõ cấu hình xe khảo sát mang động cơ G4LA 1.25L, dẫn động cầu trước FF, hộp số tay 5 cấp.

Tiếp đó, chương tổng kết lịch sử phát triển bộ ly hợp từ thiết kế đai da ma sát của Karl Benz (1885-1886), ly hợp ướt nhiều đĩa của Hele-Shaw (1905) đến ly hợp khô một đĩa của Charles W. Borg và Marshall Beck (1910). Tác giả hệ thống hóa phân loại ly hợp theo các tiêu chí: phương pháp truyền mô-men (ma sát, thủy lực, điện từ, liên hợp), phương pháp tạo lực ép (lò xo trụ/đĩa, điện từ, ly tâm), phương pháp dẫn động (thủy lực, cơ khí, Drive-by-Wire), phương pháp điều khiển (thủ công, tự động) và trạng thái làm việc (thường đóng, thường mở). Đồng thời, chương 1 xác định các yêu cầu kỹ thuật then chốt của ly hợp ma sát như: truyền hết mô-men động cơ ($\beta > 1$), ngắt dứt khoát, đóng êm dịu và giảm thiểu mô-men quán tính phần bị động.

Chương 2: Cấu tạo chi tiết ly hợp ma sát một đĩa

Chương 2 mô tả chi tiết các cụm chi tiết cơ khí cấu thành hệ thống ly hợp trên xe Kia Morning:

  • Phần chủ động: Bánh đà (vành răng khởi động, lò xo giảm chấn, ổ bi trượt, vỏ chắn bụi); mâm ép đúc bằng gang có độ bóng bề mặt cao nhằm tối ưu hóa tản nhiệt; lò xo màng biên dạng côn tích hợp các cánh đòn mở giúp phân bố lực ép đồng đều và tiết kiệm không gian lắp đặt.
  • Phần bị động: Đĩa ma sát chế tạo từ thép mỏng gợn sóng có gắn các tấm vật liệu ma sát bằng đinh tán nhôm/đồng nhằm tạo độ đàn hồi hướng trục; cơ cấu lò xo giảm chấn xoắn dập tắt dao động cộng hưởng; trục sơ cấp hộp số ăn khớp với moay-ơ đĩa ma sát bằng mối ghép then hoa di trượt.
  • Cơ cấu điều khiển thủy lực: Bàn đạp ly hợp, xy-lanh chính (gồm bình chứa dầu, piston, lò xo hồi vị, cúp-pen), đường dẫn dầu, xy-lanh cắt (phân loại tự điều chỉnh có lò xo côn bên trong hoặc loại điều chỉnh bằng vít) và vòng bi cắt ly hợp tự định tâm (bi T).
  • Nguyên lý hoạt động: Trình bày chi tiết hai quá trình ngắt ly hợp (đạp bàn đạp tạo áp suất thủy lực đẩy piston cắt, tác động vòng bi T nén lò xo màng để kéo mâm ép tách khỏi đĩa ma sát) và đóng ly hợp (nhả bàn đạp, dầu hồi về bình chứa, lò xo màng bung lực ép đĩa ma sát áp chặt vào bề mặt bánh đà).

Chương 3: Tính toán thiết kế cụm ly hợp dựa trên xe cơ sở Kia Morning

Chương 3 tập trung vào quy trình tính toán động học, nhiệt học và kiểm nghiệm độ bền:

  • Tính toán kích thước: Từ mô-men cực đại $M_{e\max} = 120\text{ N}\cdot\text{m}$ và hệ số dự trữ $\beta = 1,5$, xác định mô-men ma sát tính toán $M_e = 180\text{ N}\cdot\text{m}$. Đường kính ngoài đĩa ma sát tính theo công thức kinh nghiệm đạt $D_2 = 15,97\text{ cm} \rightarrow$ chọn $D_2 = 16\text{ cm}$ ($R_2 = 8\text{ cm}$), bán kính trong chọn $R_1 = 5\text{ cm}$, bán kính ma sát trung bình $R_{tb} = 6,5\text{ cm}$. Áp suất làm việc $q$ được xác định dựa trên lực ép $P_\Sigma$.
  • Kiểm tra điều kiện làm việc: Xác định mô-men cản quy dẫn $M_a = 7,3\text{ N}\cdot\text{m}$, thời gian trượt giai đoạn một $t_1 = 0,056\text{ s}$, thời gian giai đoạn hai $t_2 = 1,603\text{ s}$. Tổng công trượt sinh ra $L = 38338,48\text{ J}$. Công trượt riêng tính được $l_0 = 119,55\text{ J/cm}^2$. Độ gia tăng nhiệt độ của đĩa ép qua một lần đóng ly hợp đạt $\Delta T = 7,67^\circ\text{C}$, nhỏ hơn ngưỡng cho phép $[T] = 10^\circ\text{C}$.
  • Tính toán bền chi tiết:
    • Lò xo màng: Chọn vật liệu thép 60T ($[\sigma] = 1400\text{ MPa}$), đường kính ngoài $D_e = 184\text{ mm}$, đường kính trong $D_i = 50\text{ mm}$, chiều dày $\delta = 3\text{ mm}$, số cánh $Z = 18$, tính toán lại lực ép đạt hệ số dự trữ $\beta = 1,65$ nằm trong dải an toàn ($1,3 \div 1,75$).
    • Đinh tán đĩa ma sát: Đường kính $d = 4\text{ mm}$, bố trí 2 vòng ($r_1 = 60\text{ mm}, r_2 = 70\text{ mm}$, mỗi vòng 12 đinh tán), vật liệu nhôm/đồng đảm bảo bền cắt và dập.
    • Đinh tán moay-ơ: Đường kính $d = 6\text{ mm}$, số lượng $n = 4$ đinh bố trí tại bán kính $r = 40\text{ mm}$, ứng suất cắt tính toán $\tau_c = 26,53\text{ MPa} \le [\tau_c] = 30\text{ MPa}$.
    • Then hoa moay-ơ: Chọn vật liệu thép 40X, đường kính danh nghĩa $L = D = 32\text{ mm}$, số then hoa $z_2 = 12$, kết quả kiểm tra ứng suất dập và cắt đều thỏa mãn điều kiện bền.
    • Lò xo giảm chấn: Đánh giá khả năng dập tắt dao động xoắn truyền từ động cơ sang trục sơ cấp.

Chương 4: Sửa chữa, bảo dưỡng và điều chỉnh ly hợp

Chương 4 đưa ra các hướng dẫn kỹ thuật phục vụ công tác bảo trì:

  • Quy trình kiểm tra, sửa chữa đĩa ma sát (độ mòn tấm ma sát, tình trạng dơ lỏng đinh tán, dính dầu mỡ hoặc nứt vỡ xương đĩa).
  • Kiểm tra cụm đĩa ép, vỏ ly hợp và độ mòn các vấu lò xo màng tiếp xúc với vòng bi nhả.
  • Phương pháp cân chỉnh độ đồng phẳng của đòn mở và khử độ đảo của đĩa bị động khi lắp ráp lên bánh đà.
  • Kiểm tra tình trạng làm việc, độ rơ lắc và khả năng tự định tâm của vòng bi cắt ly hợp.
  • Hướng dẫn điều chỉnh hành trình tự do của bàn đạp ly hợp trên hệ thống dẫn động thủy lực.
  • Bảng chẩn đoán nguyên nhân và biện pháp khắc phục cho 6 hư hỏng điển hình:
    1. Ly hợp bị trượt: Tấm ma sát mòn trơ đinh tán, dính dầu, lò xo ép yếu hoặc bàn đạp mất hành trình tự do.
    2. Ly hợp ngắt không hoàn toàn (cắt không hết côn): Hành trình tự do bàn đạp quá lớn, hệ thống thủy lực lọt khí, đĩa ma sát cong vênh.
    3. Ly hợp đóng đột ngột (giật xe): Bề mặt ma sát bị chai cứng cục bộ, lò xo giảm chấn gãy, đĩa ép đảo.
    4. Ly hợp phát ra tiếng kêu: Vòng bi T mòn hỏng, then hoa moay-ơ rơ rão, lò xo giảm chấn lỏng.
    5. Bàn đạp ly hợp bị rung: Bánh đà bị đảo, đĩa ép lắp lệch tâm hoặc lò xo màng cong vẹo.
    6. Đĩa ép mòn nhanh: Lực ép phân bố không đều, thường xuyên rà côn hoặc đĩa ma sát kém chất lượng.

Kết quả và đóng góp

  • Kết quả tính toán kỹ thuật: Đã xác lập bộ thông số hình học và cơ học hoàn chỉnh cho ly hợp xe Kia Morning 1.25 MT 2016 với đĩa ma sát $D_2 = 160\text{ mm}$, lực ép $P_\Sigma = 3956,04\text{ N}$, hệ số dự trữ hiệu chỉnh $\beta = 1,65$. Toàn bộ kết quả kiểm nghiệm bền về nhiệt độ ($\Delta T = 7,67^\circ\text{C}$), ứng suất lò xo màng, đinh tán và then hoa moay-ơ đều nằm trong giới hạn bền cho phép của vật liệu chế tạo.
  • Giải pháp và đề xuất kỹ thuật: Xác định phương án sử dụng lò xo màng kết hợp dẫn động thủy lực tự điều chỉnh là giải pháp tối ưu cho dòng xe đô thị cỡ nhỏ, giúp giảm lực đạp côn của người lái và duy trì khe hở làm việc ổn định.
  • Đóng góp của đồ án: Hệ thống hóa đầy đủ phương pháp tính toán thiết kế chi tiết cụm ly hợp ô tô từ lý thuyết cơ sở, kiểm nghiệm bền đến quy trình thực hành bảo dưỡng và xử lý sự cố thực tế trên một dòng xe thương mại cụ thể tại Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Các giả thiết tính toán công trượt và nhiệt độ dựa trên điều kiện khởi hành trên đường bằng phẳng ($\alpha = 0^\circ, f = 0,03$), chưa khảo sát các trường hợp khởi hành trên dốc lớn hoặc điều kiện xe chở quá tải liên tục. Nghiên cứu chưa thực hiện đo đạc thực nghiệm biến dạng nhiệt trên băng thử động cơ thực tế.
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Áp dụng phương pháp mô phỏng phần tử hữu hạn (FEA) để phân tích trường nhiệt độ và tập trung ứng suất trên lò xo màng và mâm ép dưới các chu kỳ đóng ngắt liên tục; mở rộng mô hình tính toán cho các điều kiện vận hành khắc nghiệt.

Giá trị tham khảo

Báo cáo môn học là tài liệu tham khảo 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 hoặc đồ án tốt nghiệp chuyên ngành khung gầm - truyền lực.
  • Kỹ sư, kỹ thuật viên xưởng dịch vụ ô tô cần tài liệu tra cứu thông số kỹ thuật, quy trình căn chỉnh hành trình tự do bàn đạp và chẩn đoán hư hỏng hệ thống ly hợp thủy lực dòng xe du lịch cỡ nhỏ.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao ly hợp xe Kia Morning 1.25 MT 2016 lại sử dụng lò xo màng thay cho lò xo trụ?
Lò xo màng có đặc tính phi tuyến: khi bàn đạp được nhấn sâu (tách ly hợp), lực đạp cần duy trì sẽ giảm đi, giúp người lái đỡ mỏi chân khi di chuyển trong đô thị. Đồng thời, lò xo màng tích hợp sẵn các cánh mở, kết cấu nhỏ gọn, phân bố lực ép đều lên toàn bộ chu vi đĩa ép và tiết kiệm không gian khoang động cơ xe hạng A.

2. Hệ số dự trữ ly hợp $\beta = 1,5$ được chọn dựa trên nguyên tắc nào?
Hệ số $\beta$ được chọn lớn hơn 1 để đảm bảo ly hợp truyền hết mô-men cực đại của động cơ ($M_{e\max} = 120\text{ N}\cdot\text{m}$) ngay cả khi bề mặt ma sát bị mòn hoặc giảm lực ép lò xo. Giá trị $\beta = 1,5$ (tính lại theo lò xo thực tế là $1,65$) nằm trong khoảng quy chuẩn $1,3 \div 1,75$ của xe con, vừa tránh hiện tượng trượt vừa đóng vai trò cơ cấu an toàn bảo vệ hệ thống truyền lực không bị quá tải.

3. Công trượt riêng và độ tăng nhiệt độ của đĩa ép sau một lần đóng ly hợp có thỏa mãn điều kiện làm việc không?
Có. Công trượt riêng tính được là $l_0 = 119,55\text{ J/cm}^2$, đảm bảo bề mặt ma sát không bị mòn quá nhanh. Độ gia tăng nhiệt độ của đĩa ép là $\Delta T = 7,67^\circ\text{C}$, thấp hơn giới hạn nhiệt độ tăng cho phép đối với xe con ($[T] = 10^\circ\text{C}$), tránh hiện tượng ủ nhiệt làm suy giảm tính đàn hồi của lò xo.

4. Đinh tán liên kết đĩa ma sát và đinh tán liên kết moay-ơ được kiểm nghiệm theo những chỉ tiêu bền nào?
Đinh tán ghép tấm ma sát (đường kính $4\text{ mm}$, vật liệu đồng/nhôm) và đinh tán ghép moay-ơ (đường kính $6\text{ mm}$, vật liệu thép) đều được kiểm nghiệm theo hai chỉ tiêu: ứng suất cắt ($\tau_c \le [\tau_c] = 30\text{ MPa}$) và ứng suất dập ($\sigma_{cd} \le [\sigma_{cd}] = 80\text{ MPa}$). Kết quả tính toán trên đinh tán moay-ơ cho thấy $\tau_c = 26,53\text{ MPa}$, đảm bảo an toàn chịu lực.

5. Hiện tượng ly hợp ngắt không hoàn toàn (không cắt hết côn) xuất phát từ các nguyên nhân kỹ thuật nào?
Hiện tượng này thường do hành trình tự do của bàn đạp ly hợp quá lớn, hệ thống dẫn động thủy lực bị lọt khí hoặc rò rỉ dầu làm giảm áp suất đẩy piston cắt, đĩa ma sát bị cong vênh hoặc đòn mở/lò xo màng bị biến dạng lệch phẳng khiến mâm ép không tách dứt khoát khỏi bề mặt ma sát.

Kết luận

Đồ án đã hoàn thành toàn diện việc tính toán thiết kế, kiểm nghiệm độ bền và xây dựng quy trình bảo dưỡng cho cụm ly hợp khô ma sát một đĩa trên xe Kia Morning 1.25 MT 2016. Các kết quả tính toán về kích thước hình học, công trượt, nhiệt độ phát sinh và ứng suất của lò xo màng, đinh tán, then hoa đều thỏa mãn các tiêu chuẩn kỹ thuật thiết kế ô tô hiện hành. Đây là công trình học thuật có tính ứng dụng thực tế cao, phục vụ hiệu quả cho công tác đào tạo chuyên ngành Cơ khí Động lực và công tác kỹ thuật sửa chữa ô tô.