UBND TỈNH BÌNH DƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔĐỒ ÁN 1 ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ BỘ LY HỢP MA SÁT KHÔ CỦA TOYOTA VIOS 1.5 E MT 2018 Sinh viên thực hiện: LÊ CÔNG THÀN
TỔNG QUAN VỀ LY HỢP ÔTÔ
1.1 Công dụng của ly hợp
Ly hợp là cơ chế dùng để truyền mô-men quay một cách êm dịu và để tách truyền động đến hệ thống truyền lực một cách nhanh chóng và dứt khoát Ngoài ra, ly hợp còn đóng vai trò như một cơ cấu an toàn cho hệ thống truyền lực khi động cơ làm việc ở chế độ không tải cưỡng bức, giúp hệ thống truyền lực không bị quá tải bởi những mô-men lớn.
- Dựa vào tính chất truyền mômen, người ta phân ra các loại:
Ly hợp ma sát cơ khí.
Dựa vào hình dạng của bộ phận ma sát cơ khí có thể chia ra:
Ly hợp ma sát đĩa phẳng.
Ly hợp ma sát đĩa côn (đĩa bị động có dạng hình côn).
Ly hợp ma sát hình trống (kiểu tang trống và guốc ma sát ép vào tang trống).
Theo đặc điểm làm việc, có thể chia ra:
1.3 Yêu cầu của ly hợp
Từ những nhiệm vụ trên mà ly hợp có những yêu cầu sau:
Để tối ưu hiệu suất truyền lực, hệ thống phải đảm bảo truyền được mô-men quay lớn nhất của động cơ ở mọi điều kiện vận hành Đồng thời, ma sát của ly hợp không được quá lớn để duy trì vai trò an toàn cho hệ thống truyền lực.
Khi vận hành hộp số tay, mở ly hợp phải dứt khoát và nhanh chóng để hai phần động cơ và hộp số tách rời ngay từ đầu và đạt được đồng tốc; thao tác này giúp rút ngắn thời gian gài số và tăng sự mượt mà của quá trình sang số Ngược lại, mở ly hợp kéo dài hoặc không triệt để sẽ khiến phần bị động chưa tách hẳn khỏi phần chủ động, gây khó khăn cho việc gài số và làm gián đoạn nhịp chuyển động.
Đóng ly hợp cần được thực hiện một cách êm dịu để mômen ma sát hình thành tại ly hợp tăng từ từ Việc này giúp xe vận hành mượt mà, tránh hiện tượng giật và giảm thiểu nguy cơ dập răng của các bánh răng trong hộp số và các cơ cấu truyền động khác thuộc hệ thống truyền lực.
Để tối ưu hóa quá trình gài số và tăng hiệu quả truyền động, mômen quán tính của các chi tiết phần bị động trong ly hợp cần được giảm xuống mức tối thiểu có thể Việc giảm mômen quán tính giúp giảm va đập lên bánh răng khi gài số, làm nhẹ điều kiện làm việc của bộ đồng tốc và rút ngắn thời gian gài số, từ đó tăng độ nhạy và tính tin cậy của hệ truyền động.
Để đảm bảo an toàn cho hệ thống truyền lực, cơ cấu an toàn phải thực hiện đúng nhiệm vụ của mình để tránh quá tải cho toàn bộ hệ thống Mômen ma sát không được để lớn quá mức để ngăn ngừa hiện tượng gãy trục các đăng và duy trì hoạt động ổn định của hệ thống truyền lực.
Ngoài ra còn có các yều cầu khác như :
+ Điều khiển nhẹ nhàng, lực tác dụng lên bàn đạp nhỏ.
Hệ số ma sát cao và ổn định
Thoát nhiệt tốt, bền vững
Làm việc tin cậy, hiệu suất cao
Kích thước nhỏ gọn, kết cấu, sữa chữa, bảo dưỡng đơn giản.
TÍNH TOÁN MÔ MEN MA SÁT VÀ CHỌN LOẠI SƠ ĐỒ DẪN ĐỘNG
STT Thông số cho Ký hiệu Vios
Trọng lượng toàn bộ Ga
Công suất cực đại động cơ
Số vòng quay ứng với Ne-max
Mô men xoắn cực đại
Số vòng quay ứng với Me-max
Hệ số cản của đường
Vận tốc cực đại của xe (Km/h)
Bán kính làm việc bánh xe 0.35
Mômen ma sát của ly hợp phải đủ lớn để truyền hết mômen quay của động cơ trong suốt quá trình vận hành Vì vậy, ly hợp phải sinh ra một mômen ma sát luôn lớn hơn hoặc bằng mômen quay cực đại của động cơ, tức là hệ số dự trữ phải luôn bằng hoặc lớn hơn 1 để đảm bảo truyền lực an toàn và liên tục giữa động cơ và hệ truyền động.
Mômen ma sát Mms của ly hợp theo [1] được xác định theo công thức sau:
Mms [N.m] : Mômen ma sát cần thiết của ly hợp.
Memax [N.m]: Mômen xoắn lớn nhất của động cơ Theo đề Memax = 140 [N.m]. β: Hệ số dự trữ của ly hợp.
Hệ số dự trữ ly hợp β phải ở mức đủ lớn (β > 1) để đảm bảo ly hợp truyền được toàn bộ mômen xoắn của động cơ trong mọi điều kiện làm việc, kể cả khi dầu mở rơi vào các bề mặt ma sát, khi lò xo ép bị giảm tính đàn hồi và khi các tấm ma sát bị mòn; ngược lại, β không được quá lớn, vì như vậy ly hợp sẽ không đảm bảo chức năng bảo vệ an toàn cho hệ truyền động.
Hệ số β được xác định bằng thực nghiệm, kết hợp với các yếu tố đã nêu và đặc biệt chú ý tới nhiều điều kiện làm việc nặng nhọc của xe cũng như đặc tính động lực học của xe thiết kế Quá trình này đảm bảo β phản ánh đúng tải trọng và điều kiện vận hành thực tế, từ đó nâng cao hiệu suất, độ ổn định và độ tin cậy của hệ thống Việc xác định β bằng phương pháp thực nghiệm hỗ trợ tối ưu hóa thiết kế và vận hành xe dựa trên dữ liệu thực tế.
Theo kinh nghiệm về xe tải và xe khách, hệ số β dao động từ 1,6 đến 2,25 Tuy nhiên, vì xe khách có trọng lượng tương đối nhẹ nhưng hoạt động thường xuyên trên điều kiện đường xá không đảm bảo, nên ta chọn β ở phía giới hạn trên cho loại xe này, tức β = 2.
Thay các thông số vào biểu thức 2.1 ta có:
Vậy mômen ma sát yêu cầu của ly hợp là: Mms = 280 [N.m]
2.2.Chọn loại và sơ đồ dẫn động ly hợp
Ly hợp ma sát cơ khí là loại ly hợp mà mômen ma sát được hình thành ở ly hợp nhờ ma sát của các bề mặt ma sát cơ khí Dựa trên hình dạng và đặc điểm kết cấu, các ly hợp ma sát cơ khí có thể được phân chia thành nhiều kiểu khác nhau để phù hợp với từng ứng dụng và yêu cầu truyền động.
Ly hợp ma sát đĩa phẳng.
Ly hợp ma sát đĩa côn (đĩa bị động có dạng hình côn).
Ly hợp ma sát hình trống (kiểu tang trống và guốc ma sát ép vào tang trống).
Ngày nay, hai loại hình côn và hình trống ít được sử dụng do mômen quán tính của phần bị động khá lớn, gây ảnh hưởng tiêu cực đến quá trình gài số và hiệu suất truyền động.
Ly hợp ma sát đĩa phẳng thì dùng phổ biến hơn vì nó có những ưu điểm sau:
Kết cấu đơn giản, gọn nhẹ.
Việc đóng mở ly hợp dứt khoát và dễ dàng.
Mômen quán tính của phần bị động nhỏ, ít ảnh hưởng đến việc gài số.
Nhưng bên cạnh đó nó cũng có nhược điểm là kết cấu sẽ trở nên cồng kềnh khi dùng nhiều đĩa ép Theo đặc điểm kết cấu của lò xo ép, ly hợp ma sát cơ khí có thể được phân chia thành các thành phần riêng biệt để thuận tiện cho việc lắp ráp và bảo dưỡng.
- Ly hợp ma sát cơ khí kiểu nhiều lò xo ép hình trụ bố trí xung quanh.
Hình 1.1 Ly hợp ma sát cơ khí kiểu nhiều lò xo ép hình trụ bố trí xung quanh
1 Trục khuỷu, 2 Đĩa bị động, 3 Bánh đà, 4 Bánh răng, 5 Lò xo ép, 6 Đĩa ép
Ổ bi tỳ, 8 Trục ly hợp, 9 Càng mở, 10 Tấm ma sát.
+ Ưu điểm: Kết cấu đơn giản, gọn nhẹ, có độ tin cậy cao.
Nhược điểm: Áp lực sinh ra ở các bề mặt ma sát dễ không đồng đều do bị nung nóng khác nhau hoặc do gẫy cục bộ.
- Ly hợp ma sát cơ khí kiểu lò xo ép trung tâm:
Về mặt ưu điểm, công nghệ này tạo ra áp suất đồng đều trên các bề mặt ma sát, cho phép điều khiển nhẹ nhàng và mượt mà Tuy vậy, nhược điểm lớn là độ tin cậy còn thấp, kèm theo kết cấu đòn mở phức tạp và việc điều chỉnh rất khó khăn nên công nghệ này ít được sử dụng trong thực tế.
Ly hợp ma sát cơ khí lò xo ép đĩa nón cụt: Ưu điểm:
Chỉ có một lò xo kiểu đĩa nón cụt bố trí ở giữa nên áp lực phân bố đều lên bề
• Lò xo làm luôn nhiệm vụ đòn mở nên kết cấu gọn nhẹ. Điều khiển nhẹ nhàng.
Nhược điểm: Không thể điều chỉnh khe hở giữa đòn mở và bạc khi tấm ma sát bị mòn
Ly hợp này nên được sử dụng trên xe du lịch và xe khách cỡ nhỏ vì có đặc tính động lực tốt; nó phù hợp với điều kiện đường xá tốt và ít phải sang số Theo đặc điểm làm việc, ly hợp có thể được chia ra thành các loại khác nhau dựa trên mức tải và cách truyền động.
Ly hợp không thường đóng.
2.3.Chọn sơ đồ dẫn động ly hợp
2.3.1 Sơ đồ dẫn động ly hợp bằng cơ khí
Hình 3.1 Sơ đồ dẫn động ly hợp bằng cơ khí 1.Bánh đà động cơ, 2.Các tấm ma sát của đĩa bị động, 3.Đòn mở, 4.Giá đỡ của đòn mở,
5 Ổ bi tỳ, 6.Ống trượt, 7.Đòn mở bàn đạp ly hợp, 8.Thanh đẩy, 9.Càng mở, 10.Đĩa ép.
-Ưu điểm: Kết cấu đơn giản, chắc chắn, độ tin cậy cao.
Hiệu suất truyền động thấp. Độ cứng vững dẫn động thấp hơn so với dẫn động thủy lực do có nhiều khe hở và khâu khớp.
TÍNH XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA LY HỢP
3.1 Bán kính hình vành khăn của bề mặt ma sát đĩa bị động
Hình 2.1 Sơ đồ tính toán bán kính vành ma sát Theo [1] ta có bán kính ngoài của tấm ma sát ly hợp được xác định:
μ là hệ số ma sát trượt giữa các đôi bề mặt ma sát Theo [1], hệ số ma sát μ nằm trong khoảng 0,22 đến 0,30 Do xe làm việc trong điều kiện nặng nhọc và đặc tính động học kém, ta chọn giá trị μ phù hợp để đảm bảo hiệu suất hoạt động và độ bền của hệ truyền động.
Trong thiết kế ly hợp, hệ số ma sát giới hạn trên được cho μ = 0,22 z là số đôi bề mặt ma sát, và với ly hợp một đĩa ma sát nên z = 2 p là áp suất pháp tuyến tác dụng lên các bề mặt ma sát Để đảm bảo tuổi thọ cho các tấm ma sát, theo tham khảo [1] giá trị áp suất cho phép p = 1,4×10^2 ÷ 2,5×10^2 N/m^2 Do ly hợp làm việc trong điều kiện nặng nhọc nên có thể chọn áp suất theo giới hạn dưới p = 1,4×10^2 N/m^2.
K : Hệ số tỷ lệ giữa bán kính trong và ngoài bề mặt ma sát, K =R R R 2 Hệ số KR được chọn theo kinh nghiệm K = 0,53 ÷ 0,75 Chọn K = 0,55 R R
Các thông số khác đã được chú thích ở trên.
Thay các thông số đã có vào 2.2 ta được:
So sánh với bảng B1-2 trong [1] ta thấy bán kính R2 là chấp nhận được.
Vậy bán kính trong của tấm ma sát R1 là:
3.2 Diện tích và bán kính trung bình hình vành khăn của tấm ma sát
Theo [1] ta có diện tích hình vành khăn tấm ma sát S[m ] được xác định như sau:
Bán kính trung bình hình vành khăn của tấm ma sát Rtb [m] được xác định:
3.3 Lực ép của cơ cấu ép
Sau khi xác định các tham số kích thước của vành ma sát, ta dễ dàng tính toán lực ép cần thiết của cơ cấu ép để đảm bảo áp suất làm việc đã chọn và thỏa mãn mô men ma sát yêu cầu Theo [1], mối quan hệ giữa các đại lượng này được diễn đạt bằng β · M_e max = μ · R_tb · Z_ms.
3.4 Công trượt riêng của ly hợp
Việc xác định kích thước của bề mặt ma sát theo điều kiện áp suất làm việc không vượt quá giá trị cho phép như trên chưa đủ để đánh giá khả năng chống mòn của ly hợp. Khi các ly hợp khác nhau có cùng áp suất làm việc nhưng với ôtô máy kéo có trọng lượng khác nhau thì sự hao mòn của ly hợp sẽ khác nhau.
Quá trình đóng êm dịu ly hợp bao giờ cũng kèm theo sự trượt ly hợp giữa các đôi bề mặt ma sát Sự trượt của ly hợp làm cho các bề mặt ma sát mòn, đồng thời sinh nhiệt nung nóng các chi tiết tiếp xúc với bề mặt trượt Nếu cường độ trượt quá mạnh sẽ làm mòn nhanh các bề mặt ma sát và nhiệt sinh ra sẽ rất lớn, có thể làm cháy cục bộ các tấm ma sát, làm nung nóng lò xo ép từ đó có thể làm giảm khả năng ép của chúng.
Việc xác định công trượt riêng của ly hợp là bước then chốt nhằm hạn chế sự mòn và khống chế nhiệt độ cực đại, từ đó đảm bảo tuổi thọ cho ly hợp và sự ổn định của hệ thống truyền động Như vậy, nhận diện và điều chỉnh công trượt riêng cho từng điều kiện vận hành giúp tối ưu hóa quá trình làm việc của ly hợp, giảm mài mòn ở các bề mặt tiếp xúc và duy trì nhiệt độ vận hành ở mức an toàn, qua đó tăng hiệu suất và tuổi thọ của cả hệ truyền lực.
Hình 2.2 Sơ đồ tính toán công trượt
Ly hợp bị trượt Ôtô tăng tốc Ôtô chuyển động với tốc độ ổn định Đồ thị tốc độ góc
4.1 Mômen quán tính qui dẫn J a [kg.m
Mômen quán tính qui dẫn Ja được xác định từ điều kiện cân bằng động năng khi ôtô
3 2 ] đang chuyển động, theo [1] ta có:
G : Trọng lượng toàn bộ của ôtô, G = G.9,81 = 1500.9,81 = 14715 [N].a a
Trong hệ thống mô-tơ kéo này, G là trọng lượng toàn bộ của rơ moóc hoặc đoàn xe kéo theo, G = 0 [N]; g là gia tốc trọng trường, g = 9,81 [m/s^2]; bán kính làm việc của bánh xe chủ động là r = 0,35 [m]; tỷ số truyền của hộp số được dùng để tính công trượt cho số một nên i_h = i_h1; tỷ số truyền của truyền lực phụ là i_p, và không có hộp số phụ thì i_p = 0; cuối cùng i_0 là tỷ số truyền của truyền lực chính.
δt : Hệ số tính đến các khối lượng chuyển động quay trong hệ thống truyền lực, trong tính toán có thể lấy δ = 1,05÷1,06 Ta chọn δ = 1,05.t t
*Tính toán các tỷ số truyền của hộp số.
Truyền lực chính có tỷ số truyền i0 được xác định theo tốc độ chuyển động lớn nhất của xe Vmax [m/s], ứng với tốc độ góc lớn nhất của động cơ ωemax [rad/s] Theo [1] ta có: ω e max r bx i v i0 = hn a max (2.7) Như vậy, i0 phụ thuộc vào Vmax và ωemax và được xác định thông qua công thức trên để đảm bảo vận hành tối ưu của hệ truyền động.
Trong thiết kế hệ truyền động và hệ thống lái, các tham số quan trọng gồm rbx [m] là bán kính làm việc của bánh xe, giúp xác định quỹ đạo và lực tác động lên mặt đường; ihn là tỷ số truyền cao nhất của hộp số, thường chọn ihn = 1 để giản lược hệ thống truyền động; vamax [m/s] là vận tốc lớn nhất của xe, theo đề bài vamax = 110 [km/h] ≈ 30,5 [m/s]; ωemax [rad/s] là tốc độ góc lớn nhất của động cơ, được xác định theo loại động cơ và chủng loại xe khi thiết kế.
Trong thiết kế hộp số cho động cơ diesel và xe tải, theo kinh nghiệm ωemax = ωN [rad/s] ωN là tốc độ góc ứng với công suất cực đại của động cơ Điều này có nghĩa rằng khi thiết kế truyền động, người ta xem ωemax trùng với ωN để tối ưu hiệu suất tại vùng làm việc có công suất cực đại Ví dụ, với động cơ đạt công suất cực đại ở N = 6000 rpm, ωN ≈ 2π×6000/60 ≈ 628 rad/s Các giá trị thực tế có thể thay đổi tùy từng dòng động cơ và cấu hình truyền động.
Thay tất cả các giá trị đã có vào biểu thức 2.7 ta có:
200π.0,35 1.30,5 i0 Xác định tỷ số truyền i : ta xác định công trượt cho số một nên i = i h1.
Giá trị tỷ số truyền số thấp nhất ih1, theo [1] phần thiết kế hộp số được xác định như sau: ψ max G a r bx
Trong đó: ψmax : Hệ số cản chuyển động lớn nhất của đường, theo đề ψmax = 0,482. η : Hiệu suất của hệ thống truyền lực, theo [2] thì η = 0,93t t
Các thông số khác đã được chú thích ở trên.
Thay các thông số đã có vào 2.8 ta có:
Thay ih1 và các thông số khác vào biểu thức 2.6 ta được:
3.4.2 Mômen cản chuyển động qui dẫn M a [N.m] r bx
M = [(G + G ).ψ + P ].a a m i η t t [N/m] (2.9) Trong đó: ψ : Hệ số cản tổng cộng của đường, tính cho đường có ψ = 0,02.
Trong quá trình khởi động, lực cản của không khí (P) bằng 0 N do tốc độ ban đầu quá nhỏ, cho phép xe khởi động dễ dàng Tỷ số truyền chung của hệ thống truyền lực (i) được xác định bằng tích các tỷ số truyền của từng cấp (i = i1 × i2 × i3), tạo nên một tổng tỷ lệ giữa động cơ và bánh xe Việc tối ưu các cấp truyền và tổng hệ số i ảnh hưởng trực tiếp đến lực kéo và tốc độ khi khởi hành Hiệu suất thuận của hệ thống truyền lực, ký hiệu là ηt, cho biết mức độ chuyển đổi công suất từ động cơ sang bánh xe như đã đề cập ở trên.
Các thông số khác như đã nói ở trên.
Thay các thông số tính được vào 2.8 ta được:
3.4.3 Tính thời gian trượt ly hợp trong các giai đoạn (t & t ) 1 2
Chọn cách tính theo thời gian trượt tổng cộng của ly hợp t0.
Theo [1] thì thời gian đóng ly hợp êm dịu t = 1,1 ÷ 2,5 [s] Ta chọn t = 2 [s].0 0
Tính hệ số kết thúc trượt k (k >0) ly hợp, theo [1] ta có:d d k d M e max ( ω −ω e a ).2 J a
Trong đó: kd : Hệ số kết thúc trượt sẽ được xác định theo biểu thức (2.10).
Memax [N.m]: Mômen xoắn lớn nhất của động cơ.
e : Tốc độ góc động cơ khi đóng ly hợp, khi tính toán lấy bằng tốc độ góc ứng với mômen cực đại = = 200 e N π [rad/s].
a : Tốc độ góc trục ly hợp Tính cho lúc khởi hành xe nên a = 0 [rad/s].
Ma : Mô men cản chuyển động của ôtô qui dẫn về trục ly hợp, theo tính toán ở trên ta có Ma = 5,783 [N.m].
Ja : Mô men quán tính khối lượng của ôtô qui dẫn về trục ly hợp, tính toán ở trên ta được J = 0,52 [kg.m ] 2
Để giải bài toán tối ưu, sử dụng Solver của Microsoft Excel với kd được cho trước thoả điều kiện kd = x > 0 bất kỳ Tính t theo công thức (2.10) và thiết lập bài toán tối ưu sao cho mục tiêu là t = 2 [s] như đã chọn, đảm bảo kd = x > 0 được duy trì trong toàn quá trình tối ưu hóa.
Biến thay đổi được chỉ định là ô (cell) chứa giá trị x của kd đã cho Bài toán được thiết lập với hai điều kiện: k > 0 và k ≤ β·1,5; trong đó 1,5 là hệ số nhân phản ánh tác động của tải trọng động, làm tăng hệ số dự trữ khi đóng ly hợp.
Ta cho trước k = x = 1 Tính t theo công thức (2.10) ta được t = 5.078 Xác lập bài toán tối ưu hóa với ô tính toán t0 làm ô mục tiêu (Target Cell) và giá trị đặt trước (Value Of) cần đạt là 2 Các ô cần thay đổi (By changing cells) được xác định để đạt tới mục tiêu này, với kd = x = 1 cho giá trị bất kỳ.
Các điều kiện ràng buộc cho bài toán (Subject to the Constrains) là ô(cell) chứa giá trị k phải thõa mãn hai điều kiện: k > 0 và k ≤ 2.1,5.d d d
Kết quả tính tối ưu nhờ công cụ Solver ta có hệ số kết thúc trượt ly hợp kd: kd =2,99.
Thay giá trị k tính được vào các công thức tính thời gian trượt t , t theo [1] ta có:d 1 2
Thời gian trượt được phân thành hai giai đoạn: giai đoạn I với t1 là thời gian trượt ứng với tốc độ góc của trục khuỷu và trục ly hợp ở mức hằng số; giai đoạn II với t2 là thời gian trượt ứng với sự hình thành mômen ma sát ở ly hợp lớn hơn mômen cản chuyển động, dẫn đến sự quay của trục ly hợp.
Thay các đại lượng đã biết vào (2.11) ta tính được thời gian trượt t ,t :1 2
Kiểm tra hệ số đặc trưng cho cường độ tăng mômen K[N.m/s]:
3.4.4 Tính công trượt tổng cộng của ly hợp L[J]
Theo [1] thì công trượt tổng cộng của ly hợp được xác định như sau: t 2 1
Trong đó: t1 : Thời gian trượt của giai đoạn I. t2 : Thời gian trượt của giai đoạn II.
Các thông số khác đã được chú thích ở phần trên.
Thay các giá trị đã biết vào (2.12) ta có: