Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Tài liệu là tập hợp nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật thuộc học phần "Đồ án kết cấu tính toán ô tô", được ban hành bởi Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vinh. Trong chương trình đào tạo kỹ sư và cử nhân kỹ thuật ngành Cơ khí Động lực / Kỹ thuật Ô tô, đồ án chuyên ngành đóng vai trò kiểm tra, đánh giá năng lực tính toán động lực học, thiết kế cơ khí và thể hiện bản vẽ kỹ thuật đối với các cụm chi tiết và hệ thống then chốt trên phương tiện giao thông đường bộ.
Mục tiêu nghiên cứu và nhiệm vụ kỹ thuật của bộ đồ án tập trung vào việc giải quyết bài toán tính toán thiết kế, kiểm nghiệm sức bền và lập hồ sơ bản vẽ kỹ thuật cho 3 cụm hệ thống chính trên ô tô, bao gồm:
- Hộp số ô tô (xác định tỷ số truyền, tính chọn bánh răng, tính toán trục và ổ lăn).
- Hệ thống phanh ô tô (tính toán mô men phanh, hoạ đồ lực phanh, lực bàn đạp, hành trình bàn đạp và tính kiểm bền các chi tiết cơ khí/thủy lực).
- Cụm ly hợp ô tô (xác định mô men ma sát, kích thước hình học, công trượt riêng, độ bền chi tiết chịu lực và hệ thống dẫn động điều khiển).
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Các phân hệ truyền lực và điều khiển chuyển động của xe ô tô (Hộp số, Hệ thống phanh, Ly hợp ma sát).
- Phạm vi phương tiện: Bao gồm 3 phân nhóm phương tiện chính gồm xe ô tô du lịch (trọng lượng toàn tải từ 1.155 kg đến 3.130 kg), xe ô tô khách (trọng lượng toàn tải từ 2.550 kg đến 11.420 kg) và xe ô tô tải (trọng lượng toàn tải từ 2.660 kg đến 14.225 kg).
- Phạm vi học thuật và quản lý chuyên môn: Được triển khai tại Khoa Cơ khí Động lực, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vinh; duyệt bộ môn bởi TS. Nguyễn Ngọc Tú và hướng dẫn chuyên môn bởi giảng viên Nguyễn Hữu Chỉnh.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán
Bộ nhiệm vụ đồ án vận dụng hệ thống lý thuyết giải tích cơ học và cơ sở tính toán kết cấu ô tô truyền thống để xác lập các chỉ tiêu động học và động lực học:
-
Khung lý thuyết tính toán:
- Lý thuyết động lực học kéo và cản chuyển động ô tô: Cân bằng công suất, cân bằng lực kéo tiếp tuyến tại bánh xe chủ động, các lực cản chuyển động gồm lực cản lăn ($f$), lực cản dốc ($\alpha$), lực cản không khí tại dải vận tốc thiết kế cực đại ($v_{max}$).
- Lý thuyết truyền động bánh răng và sức bền vật liệu: Ứng suất tiếp xúc, ứng suất uốn của răng, trạng thái ứng suất uốn - xoắn kết hợp trên các trục sơ cấp và thứ cấp của hộp số.
- Lý thuyết ma sát và động học cơ cấu phanh: Cân bằng mô men phanh yêu cầu, phân bố lực phanh theo tải trọng cầu, lý thuyết ma sát guốc phanh/đĩa phanh và thủy lực dẫn động.
- Lý thuyết nhiệt và mài mòn ma sát ly hợp: Quá trình đóng êm dịu, hiện tượng trượt ly hợp, công trượt riêng ($L_r$) và biến dạng đàn hồi của cơ cấu ép (lò xo màng đĩa hoặc lò xo trụ bố trí xung quanh).
-
Phương pháp nghiên cứu và giải quyết bài toán:
- Phương pháp giải tích động lực học: Thiết lập hệ phương trình xác định thông số kết cấu (tỷ số truyền $i_{h1}$, $i_0$, đường kính ngoài/trong của đĩa ma sát, đường kính xi lanh công tác và xi lanh chính).
- Phương pháp đồ thị và hoạ đồ lực: Dùng hoạ đồ vectơ để xác định lực tác dụng lên má phanh trước và má phanh sau, điểm đặt lực tổng hợp và phản lực liên kết tại chốt tựa guốc phanh.
- Phương pháp kiểm nghiệm bền cơ học: Tính toán ứng suất phá hủy, hệ số an toàn cho trục, ổ lăn, trống phanh, chốt phanh, thành xi lanh bánh xe và đường ống dẫn động cao áp.
- Phương pháp tham chiếu thông số thực nghiệm: Dựa trên thông số kỹ thuật chuẩn của các dòng xe tham khảo trong lịch sử công nghiệp ô tô (Mockbur 401, 402, 407, 410; GAZ/Гa3-12, 67B, 69, 51, 51Б, 56, 62, 63; ZIL/ЭuЛ-110, 111, 130, 150, 156, 157, 164; MAZ/Ma3-500).
-
Nguồn dữ liệu: Các tập số liệu kỹ thuật đầu vào được chuẩn hóa theo từng phiếu giao đề tài, chỉ định rõ loại xe, trọng lượng toàn tải ($G_a$), thông số động cơ ($M_{e\max}, n_M, N_{\max}, n_N$), kích cỡ lốp xe, vận tốc lớn nhất ($v_{\max}$), hệ số cản lăn ($f$), góc dốc cực đại ($\alpha$) và tỷ số truyền tay số 1 ($i_{h1}$).
Nội dung chính theo từng nhóm đề tài chuyên môn
Nội dung đồ án được phân chia thành 3 mảng đề tài độc lập, mỗi mảng tập trung vào một hệ thống kỹ thuật cụ thể với quy trình tính toán và yêu cầu bản vẽ chuyên biệt:
1. Nhóm đề tài Tính toán thiết kế Hộp số ô tô
Nhiệm vụ tính toán thiết kế hộp số yêu cầu sinh viên thực hiện qua 4 bước cơ bản:
- Xác định tỷ số truyền của toàn bộ hệ thống truyền lực dựa trên điều kiện bám, khả năng vượt dốc cực đại ($\alpha$) và vận tốc cực đại ($v_{max}$).
- Tính toán và lựa chọn thông số hình học bánh răng các tay số (mô-đun pháp tuyến, góc nghiêng răng, số răng, khoảng cách trục).
- Tính toán kết cấu, ứng suất uốn và xoắn trên trục sơ cấp và trục thứ cấp hộp số.
- Tính toán chọn lựa và kiểm nghiệm tải trọng động, tuổi thọ làm việc của các ổ lăn đỡ trục hộp số.
Hồ sơ bản vẽ kỹ thuật bắt buộc gồm: 01 bản vẽ khổ A0 thể hiện mặt cắt dọc hộp số và 01 bản vẽ khổ A3 thể hiện chi tiết chế tạo (Trục sơ cấp hoặc Trục thứ cấp hộp số).
| Nhóm phương tiện | Trọng lượng $G_a$ (kg) | Động cơ $M_{e\max}$ (kGm) / $n_M$ (v/p) | Công suất $N_{\max}$ (HP) / $n_N$ (v/p) | Ký hiệu bánh xe | $v_{\max}$ (km/h) | Hệ số $f$ / Góc dốc $\alpha$ | Yêu cầu bản vẽ A3 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Ô tô du lịch | 1.330 | 9,3 / 2.900 | 50 / 4.750 | 6,00-13 | 120 | 0,012 / 10° | Chi tiết trục sơ cấp |
| Ô tô du lịch | 1.875 | 17,0 / 2.200 | 75 / 4.000 | 6,70-15 | 130 | 0,013 / 9° | Chi tiết trục sơ cấp |
| Ô tô du lịch | 2.175 | 12,5 / 2.000 | 52 / 3.600 | 6,50-16 | 90 | 0,016 / 11° | Chi tiết trục thứ cấp |
| Ô tô du lịch | 2.625 | 41,0 / 2.200 | 195 / 4.200 | 8,20-15 | 160 | 0,015 / 10° | Chi tiết trục thứ cấp |
| Ô tô khách | 2.550 | 17,0 / 2.000 | 75 / 4.000 | 7,00-15 | 110 | 0,017 / 13° | Chi tiết trục thứ cấp |
| Ô tô khách | 7.640 | 21,5 / 1.800 | 90 / 3.600 | 8,25-20 | 80 | 0,015 / 12° | Chi tiết trục sơ cấp |
| Ô tô khách | 10.230 | 41,0 / 2.000 | 150 / 3.200 | 11,00-20 | 75 | 0,015 / 12° | Chi tiết trục sơ cấp |
| Ô tô khách | 11.420 | 47,5 / 1.800 | 180 / 3.200 | 11,00-20 | 95 | 0,017 / 13° | Chi tiết trục thứ cấp |
| Ô tô tải | 2.660 | 17,0 / 2.000 | 70 / 4.000 | 8,4-15 | 100 | 0,020 / 13° | Chi tiết trục thứ cấp |
| Ô tô tải | 5.750 | 29,0 / 2.000 | 115 / 3.200 | 8,25-20 | 85 | 0,020 / 12° | Chi tiết trục thứ cấp |
| Ô tô tải | 14.225 | 68,0 / 2.200 | 26 / 4.000 | 14,00-20 | 75 | 0,025 / 14° | Chi tiết trục thứ cấp |
2. Nhóm đề tài Thiết kế Hệ thống phanh ô tô
Nhiệm vụ thiết kế hệ thống phanh bao gồm tổng quan kết cấu và triển khai tính toán chi tiết:
- Tổng quan về kết cấu và nguyên lý làm việc của hệ thống phanh trên phương tiện tham khảo.
- Lựa chọn phương án bố trí và xác định mô men phanh yêu cầu sinh ra tại cơ cấu phanh các cầu.
- Xác định lực tác dụng lên má phanh bằng phương pháp hoạ đồ lực.
- Tính toán lực cần thiết tác dụng lên bàn đạp phanh và kiểm tra điều kiện thao tác của người lái.
- Xác định hành trình toàn bộ của bàn đạp phanh nhằm đảm bảo khả năng phanh an toàn.
- Tính kiểm nghiệm bền cho các bộ phận chỉ định: cơ cấu phanh, trống phanh, xi lanh bánh xe, đường ống dẫn động phanh hoặc chốt phanh.
Hồ sơ bản vẽ kỹ thuật gồm 02 bản vẽ khổ A0: 01 bản vẽ bố trí chung toàn bộ hệ thống phanh và 01 bản vẽ chuyên đề thể hiện kết cấu cơ cấu phanh, hoạ đồ lực phanh, kết cấu dẫn động trợ lực chân không hoặc các chi tiết điển hình.
| Nhóm phương tiện | Mẫu xe tham khảo | Trọng lượng $G_a$ (kg) | Nội dung tính kiểm bền chuyên sâu | Yêu cầu bản vẽ chuyên đề (Khổ A0) |
|---|---|---|---|---|
| Xe du lịch | Mockbur 401 | 1.155 | Tính bền cơ cấu phanh | Kết cấu cơ cấu phanh |
| Xe du lịch | Mockbur 402 | 1.280 | Tính bền trống phanh | Kết cấu cơ cấu phanh |
| Xe du lịch | Mockbur 407 | 1.290 | Tính kiểm bền xi lanh bánh xe | Hoạ đồ lực phanh |
| Xe du lịch | Mockbur 410 | 1.480 | Tính bền trống phanh | Một số chi tiết điển hình |
| Xe du lịch | Гa3-67B | 1.720 | Tính bền cơ cấu phanh | Hoạ đồ lực phanh |
| Xe du lịch | Гa3-69 | 2.175 | Tính bền cơ cấu phanh | Kết cấu cơ cấu phanh |
| Xe du lịch | Гa3-12 | 2.390 | Tính kiểm bền xi lanh bánh xe | Một số chi tiết điển hình |
| Xe du lịch | ЭuЛ-110 | 3.100 | Tính bền đường ống dẫn động phanh | Kết cấu dẫn động thuỷ lực trợ lực chân không |
| Xe du lịch | ЭuЛ-111 | 3.130 | Tính bền chốt phanh | Các phương án trợ lực |
| Xe tải | Гa3-56 | 3.498 | Tính bền chốt phanh | Kết cấu cơ cấu phanh |
| Xe tải | Гa3-62 | 3.820 | Tính bền chốt phanh | Kết cấu cơ cấu phanh |
| Xe tải | Гa3-51Б | 5.250 | Tính bền chốt phanh | Kết cấu cơ cấu phanh |
| Xe tải | Гa3-63 | 5.350 | Tính bền chốt phanh | Kết cấu cơ cấu phanh |
| Xe tải | Гa3-51 | 5.360 | Tính bền chốt phanh | Kết cấu cơ cấu phanh |
| Xe tải | ЭuЛ-150 | 8.215 | Tính bền chốt phanh | Kết cấu cơ cấu phanh |
| Xe tải | ЭuЛ-130 | 8.225 | Tính bền chốt phanh | Kết cấu cơ cấu phanh |
| Xe tải | ЭuЛ-156 | 8.325 | Tính bền chốt phanh | Kết cấu cơ cấu phanh |
| Xe tải | ЭuЛ-164 | 8.325 | Tính bền chốt phanh | Kết cấu cơ cấu phanh |
| Xe tải | ЭuЛ-157 | 10.520 | Tính bền chốt phanh | Kết cấu cơ cấu phanh |
| Xe tải | Ma3500 | 13.875 | Tính bền chốt phanh | Kết cấu cơ cấu phanh |
3. Nhóm đề tài Tính toán thiết kế Ly hợp ô tô
Nội dung tính toán thiết kế cụm ly hợp ma sát cơ khí gồm 6 đề mục tuần tự:
- Phân tích kết cấu hiện hữu và lựa chọn phương án thiết kế cụm ly hợp phù hợp với thông số xe.
- Xác định mô men ma sát tính toán cần thiết của ly hợp ($M_{ms} = \beta \cdot M_{e\max}$).
- Xác định các kích thước hình học cơ bản của đĩa ma sát (đường kính ngoài $D$, đường kính trong $d$, diện tích bề mặt ma sát).
- Tính toán kiểm tra công trượt riêng ($L_r$) nhằm đánh giá mức độ mài mòn và nhiệt độ tăng lên của bề mặt làm việc trong quá trình khởi hành.
- Tính toán sức bền các chi tiết chủ yếu (cơ cấu lò xo ép, then hoa trục ly hợp, đĩa ép và vỏ ly hợp).
- Tính toán hệ thống dẫn động điều khiển ly hợp (áp suất dẫn động thủy lực, hành trình bàn đạp và đòn mở).
Hồ sơ bản vẽ kỹ thuật gồm: 01 bản vẽ khổ A0 thể hiện hình cắt dọc và hình cắt ngang của ly hợp; 01 bản vẽ khổ A3 thể hiện kết cấu hệ thống dẫn động ly hợp.
| Nhóm phương tiện | Trọng lượng $G_a$ (kg) | Động cơ $M_{e\max}$ (kGm) / $n_M$ (v/p) | Công suất $N_{\max}$ (HP) / $n_N$ (v/p) | Ký hiệu bánh xe | Tỷ số truyền tay số 1 ($i_{h1}$) | Kết cấu lò xo ép / Dẫn động |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Ô tô du lịch | 1.330 | 9,3 / 2.900 | 50 / 4.750 | 6,00-13 | 3,810 | Lò xo ép dạng đĩa / Dẫn động thuỷ lực |
| Ô tô du lịch | 1.875 | 17,0 / 2.200 | 75 / 4.000 | 6,70-15 | 3,115 | Lò xo ép dạng đĩa / Dẫn động thuỷ lực |
| Ô tô du lịch | 2.175 | 12,5 / 2.000 | 52 / 3.600 | 6,50-16 | 4,124 | Lò xo ép dạng đĩa / Dẫn động thuỷ lực |
| Ô tô du lịch | 2.625 | 41,0 / 2.200 | 195 / 4.200 | 8,20-15 | 2,640 | Lò xo ép dạng đĩa / Dẫn động thuỷ lực |
| Ô tô khách | 2.550 | 17,0 / 2.000 | 75 / 4.000 | 7,00-15 | 3,115 | Lò xo ép dạng đĩa / Dẫn động thuỷ lực |
| Ô tô khách | 7.640 | 21,5 / 1.800 | 90 / 3.600 | 8,25-20 | 6,400 | Lò xo ép dạng trụ / Dẫn động thuỷ lực |
Kết quả và đóng góp
Tài liệu cung cấp một hệ thống bài toán thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh và có tính phân hóa rõ rệt trong đào tạo chuyên ngành:
- Chuẩn hóa thông số đầu vào: Thiết lập dải thông số kỹ thuật đa dạng từ dòng xe du lịch cỡ nhỏ ($G_a = 1.155$ kg) đến xe tải hạng nặng ($G_a = 14.225$ kg), giúp người thực hiện đồ án tiếp cận đa dạng các bài toán thực tế của kỹ thuật ô tô.
- Tính hệ thống trong phương pháp tính toán: Xác lập quy trình thiết kế mạch lạc từ khâu phân tích động học tổng thể (xác định tỷ số truyền, mô men ma sát, mô men phanh yêu cầu) đến chi tiết hóa kết cấu cơ học (bánh răng, trục, then hoa, lò xo ép, xi lanh thủy lực) và kết thúc bằng việc kiểm nghiệm bền, kiểm nghiệm nhiệt (công trượt riêng).
- Quy chuẩn hóa hồ sơ kỹ thuật: Đưa ra yêu cầu cụ thể về định dạng bản vẽ kỹ thuật (A0 đối với bản vẽ tổng thể/bố trí chung/cơ cấu; A3 đối với chi tiết máy/hệ thống dẫn động), rèn luyện kỹ năng vẽ kỹ thuật cơ khí theo tiêu chuẩn.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế của tài liệu: Toàn văn tài liệu là tập hợp các phiếu giao nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật, chỉ bao gồm số liệu cho trước, danh mục nội dung cần hoàn thành và yêu cầu bản vẽ; không chứa phần thuyết minh giải tích chi tiết, các bước tính toán cụ thể hay kết quả số học sau cùng của các đồ án.
- Hướng triển khai mở rộng: Từ các bộ thông số ban đầu này, người học và nhà nghiên cứu có thể xây dựng các chương trình tự động hóa tính toán thiết kế bằng máy tính, mô phỏng động lực học và kiểm nghiệm ứng suất phần tử hữu hạn (FEA) trên các phần mềm CAD/CAE chuyên dụng cho hộp số, hệ thống phanh và ly hợp.
Giá trị tham khảo
Tài liệu có giá trị tham khảo thiết thực đối với:
- Sinh viên và học viên: Chuyên ngành Kỹ thuật Ô tô, Cơ khí Động lực, Kỹ thuật Cơ khí tại các trường đại học kỹ thuật cần tài liệu định hướng về quy chuẩn giao đề tài, cấu trúc một đồ án thiết kế hệ thống truyền lực và hệ thống phanh ô tô.
- Giảng viên hướng dẫn: Dùng làm nguồn dữ liệu biên tham khảo để xây dựng ngân hàng đề thi, đề tài đồ án môn học "Kết cấu tính toán ô tô" và đồ án tốt nghiệp đại học với các thông số phân tải rõ ràng, tránh sự trùng lặp giữa các sinh viên.
Câu hỏi thường gặp
1. Nhiệm vụ "Tính toán thiết kế hộp số" bao gồm các bước kỹ thuật bắt buộc nào?
Theo văn bản, sinh viên thực hiện đề tài hộp số phải hoàn thành 4 bước: (1) Xác định tỷ số truyền của hệ thống truyền lực; (2) Tính toán lựa chọn bánh răng hộp số; (3) Tính toán trục; (4) Tính toán ổ lăn của hộp số. Hồ sơ nộp kèm gồm 01 bản vẽ A0 (mặt cắt dọc hộp số) và 01 bản vẽ A3 (chi tiết trục sơ cấp hoặc trục thứ cấp tùy đề).
2. Phương pháp hoạ đồ lực được áp dụng cho nội dung tính toán nào trong đồ án?
Phương pháp hoạ đồ lực được chỉ định áp dụng trong đề tài "Thiết kế hệ thống phanh" nhằm xác định lực tác dụng lên má phanh (má phanh trước và má phanh sau), từ đó làm cơ sở xác định lực đẩy của xi lanh/guốc phanh và lực tác dụng lên bàn đạp phanh.
3. Có những dạng lò xo ép nào được quy định trong đề tài thiết kế ly hợp?
Văn bản quy định 2 dạng cơ cấu ép chính: lò xo ép dạng đĩa (sử dụng trên các dòng xe ô tô du lịch và xe khách tải trọng nhẹ $G_a = 2.550$ kg) và lò xo ép dạng trụ bố trí xung quanh (sử dụng trên dòng xe ô tô khách tải trọng lớn $G_a = 7.640$ kg). Tất cả các phương án ly hợp trong tài liệu đều sử dụng hệ thống dẫn động bằng thuỷ lực.
4. Các dòng xe tham khảo nào xuất hiện trong các đề tài thiết kế hệ thống phanh?
Văn bản dẫn chứng nhiều dòng xe tải và xe du lịch tham khảo, bao gồm: Mockbur 401, Mockbur 402, Mockbur 407, Mockbur 410; Гa3-12, Гa3-67B, Гa3-69, Гa3-51, Гa3-51Б, Гa3-56, Гa3-62, Гa3-63; ЭuЛ-110, ЭuЛ-111, ЭuЛ-130, ЭuЛ-150, ЭuЛ-156, ЭuЛ-157, ЭuЛ-164 và Ma3500.
5. Cán bộ quản lý học thuật và giáo viên hướng dẫn ký duyệt trong các phiếu nhiệm vụ là ai?
Toàn bộ các phiếu giao nhiệm vụ trong tập tài liệu đều được duyệt bộ môn bởi TS. Nguyễn Ngọc Tú và hướng dẫn chuyên môn bởi giảng viên Nguyễn Hữu Chỉnh thuộc Khoa Cơ khí Động lực, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vinh.
Kết luận
Tập nhiệm vụ "Đồ án kết cấu tính toán ô tô" của Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vinh là tài liệu học thuật định chuẩn quá trình tính toán thiết kế cho ba cụm hệ thống cơ bản trên ô tô gồm hộp số, hệ thống phanh và ly hợp. Hệ thống đề tài bao quát dải thông số kỹ thuật đa dạng của xe du lịch, xe khách và xe tải gắn liền với các mẫu xe tham khảo thực tế. Tài liệu đóng vai trò là khung hướng dẫn thiết kế kỹ thuật cơ khí ô tô chặt chẽ, xác lập rõ ràng từ mục tiêu tính toán giải tích đến yêu cầu thể hiện bản vẽ kỹ thuật chuyên ngành.