Tính Toán Thiết Kế Ly Hợp Ô Tô: Đồ Án Môn Học Công Nghệ Kỹ Thuật Ô Tô

• Trường học: Trường Đại Học Kỹ Thuật
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Ô Tô
• Đề tài: Tính Toán Thiết Kế Ly Hợp Ô Tô
• Loại tài liệu: Đồ Án Môn Học

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
• 1.1. Mục tiêu đề tài
• 1.2. Phương pháp
• 1.3. Kết cấu đồ án
• 2. CHƯƠNG 2: LY HỢP TRÊN Ô TÔ
• 2.1. Nguyên lí hoạt động
• 2.2. Kết cấu chung
• 2.3. Phân loại
• 3. CHƯƠNG 3: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ LY HỢP
• 3.1. Các thông số tham khảo xe innova
• 3.2. Lựa chọn kết cấu cụm ly hợp
• 3.3. Lựa chọn phương án dẫn động điều khiển ly hợp
• 4. CHƯƠNG 4: NỘI DUNG THIẾT KẾ TÍNH TOÁN
• 4.1. Xác đinh momen ma sát của ly hợp
• 4.2. Xác định kích thước cơ bản của ly hợp
• 4.3. Xác định công sinh ra trong quá trình đóng ly hợp
• 4.4. Tính toán sức bền một số chi tiết của ly hợp
• 5. CHƯƠNG 5: PHÂN TÍCH HƯ HỎNG LY HỢP
• 5.1. Nguyên nhân hư hỏng ly hợp
• 5.2. Hướng dẫn sử dụng các thiết bị
• 6. CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG LY HỢP
• 6.1. Thiết kế
• 7. CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 7.1. Hướng phát triển đề tài
• Tài liệu tham khảo

Tóm tắt

I. Hướng Dẫn Đồ Án Thiết Kế Ly Hợp Ô Tô Tổng Quan

Đồ án môn học Tính Toán Thiết Kế Ly Hợp Ô Tô là một nhiệm vụ cốt lõi trong chương trình đào tạo ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô. Nhiệm vụ này yêu cầu sinh viên vận dụng kiến thức lý thuyết vào thực tiễn, từ việc phân tích nguyên lý đến tính toán và mô phỏng một cụm chi tiết cơ khí phức tạp. Ly hợp đóng vai trò là một cầu nối quan trọng, truyền hoặc ngắt moment xoắn động cơ đến hệ thống truyền lực ô tô. Một thiết kế ly hợp hiệu quả phải đảm bảo việc chuyển số diễn ra êm dịu, bảo vệ hộp số khỏi quá tải và tối ưu hóa hiệu suất vận hành của xe. Bài viết này sẽ cung cấp một lộ trình chi tiết, từ việc xác định các yêu cầu kỹ thuật cơ bản, lựa chọn phương án thiết kế phù hợp, đến việc thực hiện các bước tính toán sức bền quan trọng. Quá trình này không chỉ củng cố nền tảng kiến thức về kết cấu cơ khí mà còn rèn luyện kỹ năng sử dụng các công cụ hỗ trợ như phần mềm SolidWorks hoặc CATIA để tạo ra các bản vẽ CAD ly hợp chính xác. Việc nắm vững quy trình này là nền tảng vững chắc cho các đồ án chuyên sâu hơn, ví dụ như đồ án hộp số ô tô, và là hành trang cần thiết cho các kỹ sư ô tô tương lai.

1.1. Vai trò then chốt của ly hợp trong hệ thống truyền lực

Ly hợp là bộ phận trung gian, nằm giữa động cơ và hộp số. Chức năng chính của nó là nối và ngắt dòng công suất từ trục khuỷu động cơ đến trục sơ cấp của hộp số. Việc ngắt kết nối này cho phép người lái chuyển số một cách êm dịu mà không gây hư hỏng cho các bánh răng. Ngoài ra, ly hợp còn có vai trò như một cơ cấu an toàn. Khi hệ thống truyền lực bị quá tải đột ngột, sự trượt giữa các đĩa ma sát ly hợp sẽ bảo vệ động cơ và hộp số khỏi các cú sốc cơ khí. Vì vậy, việc tính toán thiết kế ly hợp ô tô không chỉ là đảm bảo khả năng truyền lực mà còn phải tối ưu hóa sự an toàn và độ bền cho toàn bộ hệ thống truyền lực ô tô.

1.2. Các yêu cầu kỹ thuật khi tính toán thiết kế ly hợp

Một bộ ly hợp được xem là thiết kế tốt khi đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật khắt khe. Yêu cầu quan trọng nhất là khả năng truyền được moment xoắn lớn nhất của động cơ mà không xảy ra hiện tượng trượt. Thứ hai, quá trình đóng ly hợp phải êm dịu để tránh va đập, trong khi quá trình ngắt phải nhanh và dứt khoát để việc gài số dễ dàng. Moment quán tính của các chi tiết bị động, đặc biệt là đĩa ma sát ly hợp, phải càng nhỏ càng tốt để giảm tải trọng động lên hộp số. Ngoài ra, kết cấu ly hợp cần gọn nhẹ, có khả năng tản nhiệt tốt, dễ dàng bảo dưỡng và có tuổi thọ cao. Các yêu cầu này là kim chỉ nam cho toàn bộ quá trình tính toán và lựa chọn vật liệu.

1.3. Phân loại ly hợp ô tô và lựa chọn phương án tối ưu

Ly hợp trên ô tô được phân loại theo nhiều tiêu chí: phương pháp truyền moment (ma sát, thủy lực, điện từ), trạng thái làm việc (thường đóng, thường mở), và phương pháp dẫn động ly hợp (cơ khí, thủy lực). Trong đó, loại ly hợp ma sát khô một đĩa, thường đóng, sử dụng lò xo màng (lò xo đĩa) là phổ biến nhất trên xe du lịch và xe tải nhẹ hiện nay. Việc lựa chọn phương án này cho đồ án dựa trên các ưu điểm như kết cấu ly hợp đơn giản, lực đạp ly hợp nhẹ, lực ép phân bố đều lên mâm ép ly hợp, và độ tin cậy cao. Dẫn động bằng thủy lực được ưu tiên vì tính gọn nhẹ và dễ bố trí, phù hợp với các dòng xe hiện đại như Toyota Innova được dùng làm xe tham khảo.

II. Phân Tích Các Thách Thức Khi Tính Toán Ly Hợp Ô Tô

Việc thực hiện đồ án tính toán thiết kế ly hợp ô tô đặt ra nhiều thách thức đòi hỏi sự chính xác và kiến thức sâu rộng. Thách thức đầu tiên là việc xác định đúng các thông số đầu vào. Moment xoắn động cơ cực đại (Me max) và hệ số dự trữ (β) là hai yếu tố quyết định đến kích thước và khả năng chịu tải của toàn bộ cụm ly hợp. Việc chọn hệ số dự trữ quá thấp sẽ gây trượt, trong khi quá cao sẽ làm tăng kích thước, khối lượng và có thể gây nguy hiểm cho hộp số khi quá tải. Thách thức thứ hai nằm ở việc lựa chọn vật liệu. Chọn vật liệu đĩa ma sát phải cân bằng giữa hệ số ma sát cao, khả năng chịu nhiệt tốt và độ bền mòn. Các chi tiết khác như lò xo mâm ép hay then hoa trục ly hợp cũng yêu cầu vật liệu có cơ tính phù hợp. Một thách thức lớn khác là hiểu rõ và phân tích được các hư hỏng tiềm tàng. Sinh viên cần dự đoán các nguyên nhân gây trượt, rung giật hay ngắt không hoàn toàn để có giải pháp phòng ngừa ngay từ khâu thiết kế, đảm bảo sản phẩm cuối cùng không chỉ đúng về mặt tính toán mà còn đáng tin cậy trong vận hành thực tế.

2.1. Xác định chính xác moment xoắn và hệ số an toàn ma sát

Cơ sở của mọi tính toán là xác định moment ma sát cần thiết (Mc). Công thức Mc = β . Me max là nền tảng, trong đó Me max là moment xoắn động cơ cực đại lấy từ thông số kỹ thuật của xe tham khảo. Việc lựa chọn hệ số an toàn ma sát (β) phụ thuộc vào loại xe. Với xe du lịch, giá trị này thường nằm trong khoảng 1.3 đến 1.75. Lựa chọn giá trị này đòi hỏi sự cân nhắc kỹ lưỡng để đảm bảo ly hợp vừa đủ sức truyền tải, vừa có thể trượt an toàn khi cần thiết, bảo vệ các chi tiết đắt tiền hơn như hộp số.

2.2. Lựa chọn vật liệu cho đĩa ma sát và mâm ép ly hợp

Vật liệu là yếu tố quyết định đến tuổi thọ và hiệu suất của ly hợp. Tấm ma sát thường được làm từ vật liệu composite hữu cơ (ferodo), có chứa amiăng hoặc các sợi thay thế, kết hợp với dây đồng để tăng khả năng chịu nhiệt và độ bền. Chọn vật liệu đĩa ma sát phải đảm bảo hệ số ma sát ổn định trong dải nhiệt độ làm việc rộng. Mâm ép ly hợp và bánh đà thường được chế tạo bằng gang xám hoặc gang hợp kim, vì chúng có khả năng chịu mài mòn và tản nhiệt tốt. Lò xo mâm ép (lò xo đĩa) yêu cầu vật liệu là thép lò xo đặc biệt, có giới hạn đàn hồi cao để duy trì lực ép ổn định sau hàng triệu chu kỳ làm việc.

III. Phương Pháp Tính Toán Các Thông Số Cơ Bản Của Ly Hợp

Quy trình tính toán thiết kế ly hợp ô tô bắt đầu bằng việc xác định các thông số hình học cơ bản. Dựa trên moment ma sát Mc đã tính, đường kính ngoài (D2) và đường kính trong (R1) của đĩa ma sát ly hợp được xác định sơ bộ thông qua các công thức kinh nghiệm. Các kích thước này phải được kiểm tra để đảm bảo chúng nằm gọn trong đường kính của bánh đà. Từ đó, áp suất riêng trên bề mặt ma sát (q) được tính toán và so sánh với giá trị cho phép của vật liệu. Một yếu tố quan trọng khác cần xem xét là công trượt sinh ra khi đóng ly hợp, đặc biệt là khi xe khởi hành. Công trượt này sinh ra nhiệt lượng lớn, có thể làm nóng các chi tiết và giảm tuổi thọ của chúng. Do đó, việc tính toán công trượt riêng (lo) và kiểm tra độ tăng nhiệt độ (ΔT) của mâm ép ly hợp là bắt buộc. Quá trình này đảm bảo thiết kế không chỉ đủ bền về mặt cơ học mà còn ổn định về mặt nhiệt học, đáp ứng được điều kiện vận hành khắc nghiệt nhất.

3.1. Công thức tính moment ma sát và kích thước đĩa ly hợp

Moment ma sát của ly hợp được tính theo công thức Mc = μ . P . i . Rtb, trong đó μ là hệ số ma sát, P là tổng lực ép, i là số đôi bề mặt ma sát, và Rtb là bán kính ma sát trung bình. Từ Mc đã xác định theo moment động cơ, ta có thể tính toán các kích thước hình học. Đường kính ngoài D2 có thể được ước tính bằng công thức kinh nghiệm, ví dụ: D2 = 3.16 * √(Me_max / C). Bán kính trong R1 thường được chọn trong khoảng (0.53 – 0.75)R2. Sau khi có kích thước, cần kiểm tra lại áp suất bề mặt q = P / F, đảm bảo q nhỏ hơn áp suất cho phép [q] của vật liệu ma sát. Đây là một trong những công thức tính ly hợp cơ bản nhất trong thuyết minh đồ án ly hợp.

3.2. Tính toán công trượt và kiểm tra nhiệt độ chi tiết

Công trượt (L) là năng lượng tiêu hao dưới dạng nhiệt trong quá trình ly hợp trượt. Nó được tính toán dựa trên trọng lượng xe, số vòng quay động cơ, và các tỉ số truyền. Công thức kinh nghiệm của Viện HAHM thường được áp dụng. Sau khi có công trượt L, công trượt riêng lo = L / (F . i) được xác định để đánh giá độ hao mòn. Giá trị này phải nhỏ hơn giới hạn cho phép [lo]. Tiếp theo, độ tăng nhiệt độ của các chi tiết bị nung nóng như mâm ép ly hợp được tính bằng công thức ΔT = (γ . L) / (427 . c . Gt). Việc kiểm tra này đảm bảo các chi tiết không bị quá nhiệt, tránh làm giảm cơ tính vật liệu và đảm bảo tuổi thọ của toàn bộ cụm ly hợp.

IV. Bí Quyết Kiểm Tra Bền Các Chi Tiết Chính Trong Ly Hợp

Sau khi xác định các thông số cơ bản, quy trình thiết kế hệ thống truyền lực yêu cầu kiểm tra sức bền của từng chi tiết quan trọng. Việc tính toán sức bền then hoa trên moay ơ đĩa bị động và trên trục ly hợp là cực kỳ cần thiết, vì đây là nơi truyền toàn bộ moment xoắn. Các ứng suất cắt và dập trên bề mặt then hoa phải nhỏ hơn giới hạn cho phép của vật liệu. Tiếp theo, lò xo mâm ép (lò xo đĩa) phải được tính toán để tạo ra đủ lực ép cần thiết và đồng thời phải kiểm tra bền tại các vị trí chịu ứng suất cao nhất. Cuối cùng, trục ly hợp (trục sơ cấp hộp số) là chi tiết chịu tải phức tạp, bao gồm cả uốn và xoắn. Cần xác định các lực tác dụng từ các cặp bánh răng, vẽ biểu đồ moment và tính toán ứng suất tương đương tại các tiết diện nguy hiểm. Phân tích bằng phần mềm phần tử hữu hạn như Ansys cũng có thể được áp dụng để có kết quả chính xác hơn. Việc hoàn thành các bước kiểm tra bền này đảm bảo rằng thiết kế ly hợp an toàn và đáng tin cậy.

4.1. Tính toán sức bền then hoa và moay ơ đĩa bị động

Then hoa là chi tiết truyền moment từ đĩa bị động đến trục ly hợp. Việc tính toán sức bền then hoa tập trung vào hai loại ứng suất chính: ứng suất cắt và ứng suất chèn dập. Các công thức tính toán dựa trên moment xoắn động cơ cực đại, số lượng then, chiều dài làm việc và các kích thước hình học của then (đường kính trong, đường kính ngoài). Vật liệu chế tạo moay ơ thường là thép hợp kim như 40X. Kết quả tính toán phải cho thấy ứng suất thực tế nhỏ hơn ứng suất cho phép của vật liệu để đảm bảo then hoa không bị phá hủy hoặc biến dạng trong quá trình làm việc.

4.2. Thiết kế và kiểm tra bền lò xo màng lò xo ép

Lò xo mâm ép dạng màng là bộ phận tạo ra lực ép để kẹp chặt đĩa ma sát. Lực ép yêu cầu (P) được xác định từ moment ma sát Mc. Dựa vào lực P, các kích thước hình học của lò xo màng như đường kính ngoài, đường kính trong, và chiều dày được lựa chọn. Sau đó, ứng suất tại các điểm chịu tải lớn nhất trên lò xo được tính toán. Ứng suất này phải nằm trong giới hạn bền của vật liệu thép lò xo. Đặc tính lực của lò xo màng (lực ép thay đổi theo hành trình) cũng cần được phân tích để đảm bảo lực đạp ly hợp không quá lớn và quá trình đóng/ngắt diễn ra thuận lợi.

4.3. Phân tích sức bền trục ly hợp sơ cấp hộp số

Trục ly hợp chịu đồng thời moment xoắn từ động cơ và các lực uốn (lực hướng tâm, lực dọc trục) từ các cặp bánh răng trong hộp số. Quá trình tính toán bắt đầu bằng việc xác định các phản lực tại các gối đỡ (ổ bi). Sau đó, biểu đồ moment uốn và moment xoắn dọc theo chiều dài trục được xây dựng. Tại các tiết diện nguy hiểm (nơi có rãnh then, vai trục, hoặc nơi lắp bánh răng), ứng suất tương đương được tính theo các thuyết bền (ví dụ: thuyết bền Von Mises). Đồng thời, độ võng và góc xoay của trục cũng cần được kiểm tra để đảm bảo trục đủ độ cứng vững, tránh gây ra sai lệch ăn khớp bánh răng.

V. Ứng Dụng CAD CAE Trong Mô Phỏng Thiết Kế Ly Hợp Ô Tô

Giai đoạn cuối cùng nhưng không kém phần quan trọng trong đồ án tính toán thiết kế ly hợp ô tô là mô phỏng và trình bày bản vẽ kỹ thuật. Việc sử dụng các phần mềm thiết kế có sự trợ giúp của máy tính (CAD) như SolidWorks hay CATIA cho phép sinh viên trực quan hóa thiết kế của mình. Từ các thông số đã tính toán, một mô hình 3D hoàn chỉnh của cụm ly hợp được xây dựng, bao gồm tất cả các chi tiết như bánh đà, đĩa ma sát ly hợp, mâm ép ly hợp, và vỏ ly hợp. Mô hình 3D này không chỉ giúp kiểm tra sự phù hợp về lắp ráp và không gian giữa các chi tiết mà còn là cơ sở để thực hiện các phân tích kỹ thuật cao cấp hơn bằng máy tính (CAE). Ví dụ, phần mềm Ansys có thể được sử dụng để phân tích ứng suất, biến dạng và phân bố nhiệt độ trên các chi tiết một cách chính xác. Cuối cùng, từ mô hình 3D, các bản vẽ CAD ly hợp 2D (bản vẽ lắp và bản vẽ chi tiết) được xuất ra, hoàn thiện bộ hồ sơ thuyết minh đồ án ly hợp theo đúng tiêu chuẩn kỹ thuật.

5.1. Quy trình dựng mô hình 3D bộ ly hợp bằng SolidWorks

Quy trình bắt đầu bằng việc thiết kế từng chi tiết riêng lẻ (Part) dựa trên kích thước đã tính toán. Các chi tiết như bánh đà, đĩa ép, xương đĩa, moay ơ, lò xo... được dựng hình chi tiết. Sau đó, tất cả các chi tiết này được đưa vào môi trường lắp ráp (Assembly). Tại đây, các ràng buộc (mates) được thiết lập để định vị các chi tiết với nhau một cách chính xác, mô phỏng đúng kết cấu ly hợp trong thực tế. Mô hình lắp ráp cho phép kiểm tra va chạm, mô phỏng chuyển động đóng/ngắt của dẫn động ly hợp, và tạo ra các hình ảnh trực quan, sinh động cho báo cáo đồ án.

5.2. Lập bản vẽ CAD ly hợp bản vẽ lắp và chi tiết

Từ mô hình Assembly 3D, việc tạo bản vẽ CAD ly hợp 2D trở nên nhanh chóng và chính xác. Bản vẽ lắp tổng thể (Assembly Drawing) thể hiện vị trí tương quan của tất cả các chi tiết, đi kèm với bảng kê vật liệu (Bill of Materials). Các bản vẽ chi tiết (Part Drawing) được tạo cho từng bộ phận quan trọng, thể hiện đầy đủ các hình chiếu, kích thước, dung sai, và các yêu cầu kỹ thuật cần thiết cho việc gia công. Việc trình bày bản vẽ chuyên nghiệp, đúng tiêu chuẩn là một kỹ năng quan trọng mà đồ án này giúp sinh viên rèn luyện.