TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Tổng quan về công nghiệp ô tô hiện nay
Ngành công nghiệp ô tô đang phát triển mạnh mẽ trên toàn cầu, tạo ra hàng triệu việc làm và đóng góp lớn cho nền kinh tế nhiều quốc gia Các cường quốc trong lĩnh vực này bao gồm Mỹ, Nhật Bản, Đức, Hàn Quốc, Trung Quốc và Ấn Độ Để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về phương tiện di chuyển và vận chuyển hàng hóa, các nhà sản xuất ô tô đang nỗ lực phát triển các dòng xe mới, cải tiến tính năng và thiết kế nhằm nâng cao an toàn, tiết kiệm nhiên liệu và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
Ngành công nghiệp ô tô đang chứng kiến sự chuyển mình mạnh mẽ với sự xuất hiện của các công nghệ tiên tiến như xe tự hành, xe điện và xe chạy bằng hydro Những hãng xe nổi tiếng như Toyota, General Motors, Volkswagen, Ford, Honda, Nissan, Hyundai, BMW và Mercedes-Benz đang dẫn đầu trong việc áp dụng những đổi mới này.
Ngành công nghiệp ô tô hiện nay đang chịu ảnh hưởng mạnh mẽ từ cuộc cách mạng công nghiệp 4.0, nhờ vào việc áp dụng các công nghệ tiên tiến như trí tuệ nhân tạo và tự động hóa trong quy trình sản xuất Sự chuyển mình này không chỉ nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm mà còn giúp giảm thiểu sai sót trong quá trình sản xuất.
Xu hướng phát triển xe tự lái trong ngành ô tô hiện nay nhằm nâng cao an toàn và tiện ích cho người dùng đang gặp nhiều thách thức Những thách thức này bao gồm vấn đề pháp lý, đạo đức và sự đồng thuận từ phía khách hàng.
Các nhà sản xuất ô tô đang nỗ lực cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng và giảm thiểu khí thải ô nhiễm Đồng thời, họ cũng chú trọng phát triển các công nghệ an toàn và tiện nghi cho cả người lái và hành khách.
Ngành công nghiệp ô tô trong tương lai sẽ tiếp tục phát triển và thay đổi nhờ vào sự tiến bộ của công nghệ mới cùng với xu hướng tích cực trong việc bảo vệ môi trường.
Ngành công nghiệp ô tô tại Việt Nam đã được ưu tiên phát triển trong những năm qua, đóng góp quan trọng vào sự phát triển kinh tế - xã hội của đất nước Ngành này không chỉ tạo ra hàng trăm nghìn việc làm cho lao động mà còn mang lại nguồn thu lớn cho ngân sách nhà nước.
Ngành công nghiệp ô tô Việt Nam bắt đầu hình thành và phát triển hơn 20 năm qua, chậm hơn khoảng 30 năm so với các nước trong khu vực như Thái Lan, Indonesia và Malaysia, nơi đã phát triển ngành công nghiệp này từ những năm 1960 Đến năm 1991, ngành công nghiệp ô tô Việt Nam mới chính thức ra đời.
Theo Cục Đăng kiểm Việt Nam, sản lượng ô tô sản xuất và lắp ráp trong nước trong giai đoạn 2018-2020 có sự biến động đáng chú ý Cụ thể, năm 2018, số lượng xe đạt 287.586 chiếc; năm 2019, con số này tăng lên 339.151 chiếc; và năm 2020, sản lượng giảm nhẹ xuống còn 323.892 chiếc Số liệu này bao gồm cả xe sản xuất từ linh kiện rời và xe lắp ráp từ xe sát xi cơ sở hoặc xe mới đã được chứng nhận.
Ngành công nghiệp ô tô Việt Nam đã có những bước phát triển mạnh mẽ, với hơn 40 doanh nghiệp sản xuất và lắp ráp ô tô, bao gồm ô tô con, tải, khách, chuyên dùng và sát xi, cùng với 350 doanh nghiệp liên quan Tính đến cuối năm 2020, tổng công suất lắp ráp đạt khoảng 755 nghìn xe/năm, trong đó doanh nghiệp trong nước chiếm 65% và khu vực có vốn đầu tư nước ngoài chiếm 35% Nhiều doanh nghiệp nội địa đã tích cực tham gia vào chuỗi sản xuất ô tô toàn cầu, khẳng định vai trò và vị trí của họ trên thị trường ô tô trong nước.
Hiện nay, nhiều nhà sản xuất ô tô trong nước đang phát triển và sản xuất đa dạng các mẫu xe, từ ô tô, xe tải, xe buýt, đến xe điện, xe máy điện và xe máy đạp điện Trong số đó, thương hiệu VinFast nổi bật với những sản phẩm chất lượng và tiên phong trong ngành công nghiệp ô tô Việt Nam.
Trường Hải Auto (THACO), Mekong Auto, Toyota Việt Nam, Honda Việt Nam, Ford Việt Nam và GM Việt Nam
Ngành công nghiệp ô tô Việt Nam đang đối mặt với nhiều thách thức trong việc đáp ứng yêu cầu về chất lượng và công nghệ quốc tế, cùng với sự cạnh tranh từ các nhà sản xuất ô tô nước ngoài Để phát triển và cạnh tranh hiệu quả trong tương lai, Việt Nam cần tập trung vào đầu tư nghiên cứu và phát triển công nghệ, nâng cao chất lượng nguồn nhân lực và thực hiện các chính sách hỗ trợ nhằm thu hút đầu tư từ các nhà sản xuất ô tô hàng đầu thế giới.
Ngành công nghiệp ô tô đang có sự phát triển mạnh mẽ và mang lại nhiều lợi ích cho xã hội Để đảm bảo sự bền vững trong tương lai, các nhà sản xuất ô tô cần vượt qua nhiều thách thức và đáp ứng nhu cầu của khách hàng bằng các sản phẩm mới và tiên tiến hơn.
Tổng quan về tình hình nghiên cứu thiết kế ô tô hiện nay
Hiện nay, nghiên cứu và thiết kế ô tô đang có sự phát triển mạnh mẽ, với sự tập trung của nhiều nhà sản xuất và viện nghiên cứu hàng đầu vào việc phát triển các tính năng và thiết kế mới cho xe hơi.
Các nhà sản xuất ô tô đang nỗ lực thiết kế những dòng xe mới với tính năng tiện nghi, an toàn và tiết kiệm nhiên liệu Những cải tiến này bao gồm các hệ thống giải trí thông minh, công nghệ kết nối xe và công nghệ lái tự động Mục tiêu của họ là tích hợp các hệ thống này vào xe để mang lại trải nghiệm lái xe tốt hơn và đáp ứng nhu cầu thị trường.
Nghiên cứu và phát triển xe điện đang trở thành xu hướng mới trong ngành ô tô, với các nhà sản xuất tập trung vào việc phát triển pin tiên tiến và hệ thống sạc nhanh hơn nhằm nâng cao hiệu suất và thời gian sử dụng của xe điện.
Một xu hướng hiện nay là giảm khối lượng và trọng lượng của ô tô nhằm tiết kiệm nhiên liệu và hạn chế khí thải độc hại Các nhà sản xuất đang tích cực nghiên cứu và áp dụng các công nghệ mới để đạt được mục tiêu này.
Các nhà sản xuất ô tô đang nỗ lực áp dụng vật liệu nhẹ và công nghệ sản xuất tiên tiến nhằm giảm trọng lượng cho các bộ phận xe, bao gồm khung xe, động cơ và bánh xe.
Ngành ô tô Việt Nam đang trải qua sự tăng trưởng tiêu thụ mạnh mẽ, nhưng cũng chịu ảnh hưởng lớn từ những thay đổi toàn cầu Hiện tại, ngành ô tô chứng kiến những biến đổi chưa từng có, với sự gia tăng phổ biến của ô tô điện, giúp giải quyết vấn đề ô nhiễm đô thị Đồng thời, hệ thống tự lái cũng đang được đầu tư phát triển mạnh mẽ, thể hiện xu hướng hiện đại trong ngành.
Các hãng xe và nhà cung cấp đang đầu tư mạnh mẽ vào nghiên cứu và phát triển để nắm bắt xu hướng mới Volkswagen dẫn đầu với chi phí nghiên cứu lên tới 13 tỷ USD vào năm 2017, chiếm khoảng 8% doanh thu Bosch cũng là một ví dụ thành công khi đầu tư lớn vào nghiên cứu, với động cơ điện của họ hiện đang được sử dụng cho nhiều dòng xe ô tô và xe máy.
Phát triển xe điện đòi hỏi sự cải cách đáng kể về hạ tầng, đặc biệt là việc xây dựng trạm sạc pin hoặc thay pin Các doanh nghiệp tiên phong trong việc thiết lập hệ thống trạm sạc quy mô lớn sẽ chiếm ưu thế trên thị trường Để đạt được điều này, các hãng xe cần phải có tiềm lực tài chính vững mạnh.
Mặc dù VinFast đã tiên phong trong lĩnh vực ô tô điện tại Việt Nam từ tháng 4/2021, nhưng ô tô điện vẫn chưa được phổ biến rộng rãi do nhiều nguyên nhân khác nhau.
Giá cả cao hơn so với ô tô truyền thống
Tốn thời gian, bất tiện khi sạc điện
Khấu hao và tuổi thọ của pin
Ảnh hưởng bởi khí hậu khắc nhiệt
Mẫu mã chưa đa dạng
Chuyên gia cho rằng Việt Nam đang đối mặt với vấn đề thiếu cơ sở hạ tầng cho ô tô điện, bao gồm việc thiếu trạm sạc, hạ tầng giao thông đồng bộ, điểm đỗ xe tĩnh và quỹ đất cần thiết để bố trí trạm sạc.
Tất cả các xe điện đều sử dụng cổng cắm với tiêu chuẩn giống nhau, do đó, việc thiết kế cổng sạc phù hợp với từng mẫu xe để đáp ứng nhu cầu đa dạng là một thách thức đáng kể.
Một trong những nhược điểm lớn nhất của xe điện là phạm vi hoạt động hạn chế, khiến chúng chưa thể đáp ứng nhu cầu di chuyển dài như xe sử dụng xăng hoặc dầu.
Vào năm 2020, GDP bình quân đầu người ở Việt Nam đạt 2.750 USD, một mức thu nhập còn thấp để người tiêu dùng có thể sở hữu ô tô cá nhân, đặc biệt là xe điện với giá bán cao.
Vì vậy, việc sử dụng rộng rãi xe điện tại Việt Nam được đánh giá là khó khả thi
Hiện nay, lĩnh vực nghiên cứu và thiết kế ô tô đang diễn ra sôi nổi và hứa hẹn nhiều tiềm năng Các nhà sản xuất đang nỗ lực phát triển những tính năng và thiết kế mới nhằm đáp ứng nhu cầu của khách hàng, đồng thời giảm thiểu tác động của ô tô đối với môi trường.
Tìm hiểu về ô tô con 5 chỗ AWD
Xe ô tô AWD (All-Wheel Drive) là loại xe có khả năng truyền động đến cả hai cầu trước và sau, mang lại độ bám đường tốt hơn và khả năng vận hành ổn định trên nhiều loại địa hình khác nhau.
Hệ thống AWD có khả năng hoạt động đa dạng thông qua việc sử dụng bánh răng, hộp số hoặc vi sai để phân phối lực kéo tới các bánh xe Hơn nữa, các hệ thống AWD hiện đại thường tích hợp với nhiều công nghệ tiên tiến khác.
Hệ thống kiểm soát lực kéo (TCS) là công nghệ giúp giảm hiện tượng trượt bánh xe và nâng cao độ bám đường TCS hoạt động bằng cách điều chỉnh công suất động cơ hoặc áp dụng lực phanh cho bánh xe đang bị trượt, từ đó cải thiện khả năng điều khiển và an toàn khi lái xe.
Hệ thống Kiểm Soát Ổn Định Điện Tử (ESC) là công nghệ giúp duy trì sự ổn định của xe trên đường bằng cách phân phối lực phanh cho từng bánh xe, từ đó cải thiện khả năng điều khiển và an toàn khi lái xe.
Hệ thống chống bó cứng phanh (ABS) giúp giảm thiểu khoảng cách dừng xe trên đường trơn trượt bằng cách ngăn chặn hiện tượng khóa bánh xe khi phanh gấp.
Hệ thống Kiểm soát Ổn định Động (DSC) giúp duy trì sự ổn định cho xe trên đường bằng cách phân phối lực phanh và lực kéo một cách chính xác cho từng bánh xe.
- Hill Descent Control (HDC): Hệ thống kiểm soát tốc độ khi xuống dốc giúp giảm thiểu nguy cơ mất kiểm soát trên địa hình đồi núi
Hệ thống Active Torque Vectoring (ATV) là công nghệ kiểm soát mômen xoắn tiên tiến, giúp giảm hiện tượng trượt và nâng cao độ bám đường Bằng cách phân phối mômen xoắn một cách linh hoạt cho từng bánh xe, ATV mang lại khả năng điều khiển tốt hơn và cải thiện hiệu suất lái xe trong các điều kiện khác nhau.
Hệ thống AWD cung cấp lực kéo đồng thời cho tất cả bốn bánh xe, giúp phân bố trọng lực đều và giảm nguy cơ trượt Điều này không chỉ duy trì độ bám đường tốt hơn mà còn tăng khả năng vượt địa hình khó khăn và di chuyển trên các đoạn đường trơn trượt như băng tuyết hay đầm lầy.
Hệ thống AWD mặc dù mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng có một số nhược điểm như tăng trọng lượng và chi phí của xe Việc sử dụng liên tục hệ thống này có thể dẫn đến tiêu hao nhiên liệu cao hơn, đồng thời việc truyền động tới tất cả các bánh xe làm tăng độ phức tạp của hệ thống, yêu cầu bảo trì và sửa chữa thường xuyên hơn.
Trên thị trường hiện nay, có nhiều mẫu xe ô tô con 5 chỗ AWD như Subaru Forester, Honda CR-V, Toyota TAV4, Mazda CX-5 và Ford Escape Hệ thống AWD thường được xem là tùy chọn cao cấp và đi kèm với chi phí cao hơn so với các mẫu xe không trang bị tính năng này.
Ô tô con 5 chỗ AWD là lựa chọn lý tưởng cho những người yêu thích du lịch địa hình, nhờ vào hệ thống AWD cải thiện khả năng vận hành trên mọi loại địa hình Với động cơ mạnh mẽ và tính năng an toàn tiên tiến, xe này phù hợp cho các gia đình cần sử dụng ô tô cho việc đi lại hàng ngày và tham gia các hoạt động ngoài trời.
Mục tiêu, đối tượng, phương pháp nghiên cứu
- Mục tiêu: Thiết kế hộp phân phối với vi sai và khớp ma sát điều khiển điện tử trên xe 5 chỗ AWD có hệ thống phanh ABS
Hộp phân phối là một thành phần quan trọng trong hệ thống truyền động của xe, đóng vai trò quyết định trong việc phân phối mô-men xoắn đến các bánh xe Nghiên cứu về thiết kế và chức năng của hộp phân phối, đặc biệt là vi sai và khớp ma sát điều khiển điện tử, giúp cải thiện hiệu suất và độ bền của xe Việc tối ưu hóa hộp phân phối không chỉ nâng cao khả năng vận hành mà còn tăng cường tính an toàn cho người sử dụng.
Xe 5 chỗ AWD: Nghiên cứu về kiến trúc và yêu cầu kỹ thuật của hệ thống truyền động 4 bánh, bao gồm cả hệ thống ABS
Nghiên cứu sẽ thu thập kiến thức từ nhiều lĩnh vực như cơ khí, điện tử, ô tô, điều khiển và tự động hóa
Phân tích và thiết kế hệ thống là quá trình quan trọng trong việc xác định yêu cầu, mục tiêu và thông số kỹ thuật cho hộp phân phối cùng các thành phần liên quan, thông qua việc sử dụng các công cụ và phương pháp phân tích, mô phỏng và thiết kế hiệu quả.
Thử nghiệm và đánh giá là bước quan trọng trong việc kiểm tra hiệu suất và độ tin cậy của hộp phân phối và hệ thống ABS, thông qua việc thực hiện các thử nghiệm trên mô hình hoặc xe thực tế.
Nghiên cứu này nhằm thiết kế hộp phân phối điện tử cho xe 5 chỗ AWD với hệ thống ABS, tập trung vào việc cải thiện hiệu suất, độ tin cậy và tính ổn định của hệ thống truyền động và phanh Mục tiêu cuối cùng là tối ưu hóa khả năng vận hành an toàn của xe trong các điều kiện địa hình và đường khác nhau.
LỰA CHỌN VÀ TÍNH TOÁN SỨC KÉO TRÊN Ô TÔ CON
Phương án lựa chọn sơ đồ AWD
2.1.1 Khái quát hệ thống truyền lực
Hệ thống truyền lực ô tô là một thành phần thiết yếu trong cơ khí xe, có nhiệm vụ truyền động từ động cơ tới bánh xe, tạo ra sức kéo để di chuyển Các bộ phận chính của hệ thống này bao gồm ly hợp, hộp số, trục kết nối, cầu sau và hệ thống truyền động 4 bánh.
Ly hợp đóng vai trò quan trọng trong việc ngắt kết nối động cơ với hộp số khi thực hiện chuyển số Hộp số quản lý động cơ, giúp tạo ra các bánh răng khác nhau cho xe di chuyển ở nhiều tốc độ khác nhau Trục kết nối giữa hộp số và cầu sau hoặc cầu trước đảm nhiệm việc truyền lực từ động cơ đến bánh xe.
Cầu sau và hệ thống truyền động 4 bánh là những bộ phận quan trọng trong hệ thống truyền lực của xe, giúp chuyển đổi sức mạnh từ động cơ đến bánh xe để di chuyển phương tiện Cầu sau thường xuất hiện trên xe hạng trung và xe thể thao, trong khi hệ thống truyền động 4 bánh thường được áp dụng cho xe tải và SUV.
Hệ thống truyền lực của ô tô bao gồm nhiều bộ phận quan trọng, mỗi bộ phận đóng vai trò riêng biệt trong việc đảm bảo xe di chuyển an toàn và hiệu quả Sự phối hợp chính xác giữa các bộ phận này giúp chuyển sức mạnh từ động cơ đến bánh xe đúng lúc, tối ưu hóa hiệu suất vận hành của xe.
- Hệ thống truyền lực có nhiệm vụ cơ bản:
Hệ thống truyền lực trên ô tô có vai trò quan trọng trong việc truyền động từ động cơ đến bánh xe, tạo ra sức kéo và đẩy xe di chuyển Nó giúp điều chỉnh tốc độ và lực kéo trong nhiều điều kiện địa hình khác nhau, đảm bảo xe di chuyển an toàn và hiệu quả Bằng cách tối ưu hóa sức mạnh của động cơ và chuyển giao chính xác đến bánh xe, hệ thống truyền lực góp phần nâng cao hiệu suất vận hành của xe.
Hệ thống truyền lực trên ô tô đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh tốc độ và lực kéo khi xe di chuyển trên đường cao tốc hoặc đèo dốc Nó cung cấp sức mạnh cần thiết để xe vượt qua các địa hình khó khăn mà không tiêu tốn quá nhiều năng lượng từ động cơ.
Hệ thống truyền lực trên ô tô không chỉ giúp cải thiện hiệu suất hoạt động mà còn đóng vai trò quan trọng trong việc giảm khí thải và tiết kiệm nhiên liệu Bằng cách tối ưu hóa sự cân bằng giữa sức mạnh động cơ và hệ thống truyền lực, xe sẽ hoạt động hiệu quả hơn, từ đó giảm thiểu lượng nhiên liệu tiêu thụ.
Hệ thống truyền lực trên ô tô có nhiệm vụ quan trọng là truyền động từ động cơ đến bánh xe, tạo ra sức kéo và đẩy xe di chuyển Nó không chỉ giúp điều khiển tốc độ và lực kéo mà còn đảm bảo an toàn khi di chuyển trên đường và tiết kiệm nhiên liệu.
Hệ thống truyền lực ô tô được phân loại theo cách thức truyền động từ động cơ đến bánh xe, với các loại phổ biến như hệ thống truyền động cầu trước (FWD), cầu sau (RWD), cầu đẩy (AWD) và hệ thống truyền động 4 bánh (4WD).
Hệ thống truyền động cầu trước (FWD) là loại phổ biến nhất, thường được trang bị trên nhiều loại xe, đặc biệt là xe nhỏ và xe gia đình Với thiết kế này, động cơ truyền lực qua trục trước, giúp bánh xe trước thực hiện cả chức năng đẩy và kéo xe di chuyển.
Hệ thống truyền động cầu sau (RWD) là một trong những loại hệ thống phổ biến, thường được sử dụng trên xe thể thao và xe chuyên dụng Trong hệ thống này, động cơ truyền lực qua trục sau, giúp bánh xe sau vừa đẩy vừa kéo xe di chuyển.
Hệ thống truyền động cầu đẩy (AWD) là công nghệ phổ biến trong xe đa dụng và xe thể thao, cho phép động cơ truyền lực đến tất cả các bánh xe Điều này giúp xe có khả năng di chuyển linh hoạt và hiệu quả trên nhiều loại địa hình khác nhau.
Hệ thống truyền động 4 bánh (4WD) được sử dụng phổ biến trên xe off-road và xe tải, cho phép động cơ truyền lực đến cả 4 bánh xe Điều này giúp xe có khả năng di chuyển dễ dàng trên các địa hình khó khăn như đèo dốc, đường mòn, cát và bùn.
Hiện nay ta thường gặp:
- Hệ thống truyền lực cơ khí có cấp điều khiển bằng cần số (Manual Transmissions)
- Hệ thống truyền lực cơ khí thủy lực điều khiển tự động (Automatic Transmissions).
Bố trí chung thường gặp trên ô tô con hiện nay
Động cơ đặt trước và cầu trước thường xuyên chủ động là hệ thống phổ biến trên nhiều loại xe, đặc biệt là xe nhỏ và xe gia đình Hệ thống truyền động cầu trước giúp động cơ truyền lực qua trục và bánh xe trước, tạo ra lực kéo để di chuyển xe.
Cầu sau đóng vai trò quan trọng trong hệ thống truyền động AWD, giúp động cơ truyền lực đến tất cả các bánh xe, đặc biệt trong điều kiện địa hình khó khăn hoặc thời tiết xấu Trong những tình huống này, cầu sau sẽ hoạt động chủ động, nâng cao khả năng di chuyển của xe.
Việc lựa chọn giữa động cơ đặt trước, cầu trước hay hệ thống truyền động AWD phụ thuộc vào nhu cầu sử dụng và điều kiện địa hình, thời tiết Công nghệ và kỹ thuật ngày càng phát triển, giúp cải tiến các hệ thống truyền động để đáp ứng tốt hơn nhu cầu người dùng và nâng cao hiệu quả hoạt động của xe.
Hệ thống truyền lực AWD động cơ đặt ngang
Hình 1 AWD loại động cơ đặt ngang
Hệ thống truyền lực AWD với động cơ đặt ngang là một trong những công nghệ phổ biến nhất hiện nay trên ô tô Thiết kế này cho phép động cơ truyền lực đến cả hai cầu trước và sau, mang lại khả năng di chuyển linh hoạt trên nhiều loại địa hình khác nhau.
Hệ thống truyền động AWD với động cơ đặt ngang thường được áp dụng cho SUV, xe bán tải và xe đa dụng Nhờ khả năng chuyển đổi linh hoạt giữa cầu trước và cầu sau, hệ thống này nâng cao độ ổn định và khả năng bám đường của xe trong các điều kiện địa hình khó khăn.
Hệ thống truyền lực AWD động cơ đặt dọc
Hình 2 AWD loại động cơ đặt dọc
Hệ thống truyền lực AWD với động cơ đặt dọc là công nghệ phổ biến trên các xe thể thao và siêu xe Thiết kế này cho phép động cơ truyền động đến cả hai cầu trước và sau, từ đó cải thiện khả năng vận hành và tăng cường độ bám đường của xe.
Việc sử dụng hệ thống truyền lực AWD với động cơ đặt dọc yêu cầu bảo trì và bảo dưỡng định kỳ để duy trì hiệu suất và tuổi thọ Đồng thời, lắp đặt hệ thống này có thể làm tăng chi phí sản xuất và giá bán của xe.
Ưu nhược điểm của xe AWD hiện nay
Xe AWD ngày càng phổ biến trên thị trường ô tô nhờ vào hệ thống truyền lực đến cả bốn bánh, mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với các loại xe truyền lực khác.
Xe AWD nổi bật với khả năng bám đường và ổn định vượt trội trên mọi địa hình Hệ thống truyền lực AWD giúp cải thiện độ bám trên các bề mặt trơn trượt, địa hình gồ ghề và trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt.
Xe AWD không chỉ mang lại sự an toàn cho hành khách mà còn giảm thiểu rủi ro trong các tình huống khẩn cấp, như tránh vật cản đột ngột hoặc tăng tốc nhanh Điều này được thực hiện thông qua việc nâng cao khả năng kiểm soát và ổn định của xe.
Xe AWD không chỉ vận hành mạnh mẽ mà còn tiết kiệm nhiên liệu hơn so với các loại xe khác nhờ vào hệ thống truyền lực thông minh, giúp phân phối lực đến bốn bánh xe một cách hiệu quả.
Xe AWD ngày càng được ưa chuộng nhờ khả năng đảm bảo an toàn, cải thiện độ bám đường, vận hành mạnh mẽ và tiết kiệm nhiên liệu.
Xe AWD mang lại nhiều lợi ích vượt trội nhưng cũng có nhược điểm, trong đó mức tiêu thụ nhiên liệu cao hơn so với các loại xe khác là một vấn đề đáng lưu ý Hệ thống truyền lực đến cả bốn bánh xe tạo ra lực kéo lớn, dẫn đến việc tiêu hao nhiên liệu tăng cao.
Hệ thống AWD thường có chi phí cao hơn so với các loại truyền lực khác do được trang bị nhiều linh kiện và công nghệ tiên tiến, nhằm đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.
Việc bảo trì và sửa chữa xe AWD có thể tốn kém và tốn thời gian do sự phức tạp của nhiều linh kiện trong hệ thống Kỹ thuật viên cần có chuyên môn cao để xử lý các vấn đề liên quan đến hệ thống AWD.
13 trình độ chuyên môn cao để xử lý các vấn đề liên quan đến truyền lực và các linh kiện khác của xe
Xe AWD có thể không thích hợp cho một số loại địa hình hoặc môi trường lái xe, vì hệ thống truyền lực đến cả bốn bánh xe có thể làm giảm khả năng vận hành trên đường bằng và đường trơn trượt.
Xe AWD mặc dù có nhược điểm như tiêu hao nhiên liệu cao, chi phí đắt đỏ và khả năng vận hành không tối ưu trên một số địa hình, nhưng vẫn được nhiều người đam mê ô tô ưa chuộng nhờ vào những ưu điểm nổi bật của nó.
Phương án lựa chọn thiết kế
Khi thiết kế động cơ AWD theo hướng dọc, tôi nhận thấy nhiều ưu điểm nổi bật Thiết kế này cho phép động cơ được bố trí ngang, kết hợp với hệ thống truyền lực đến cầu sau thông qua trục chuyển động, trước khi dẫn đến cầu trước, mang lại hiệu suất vận hành tối ưu.
Phương án này cho phép tối ưu hóa không gian trong khoang động cơ và hộp số, giúp giảm kích thước tổng thể của xe Kết quả là xe trở nên nhỏ gọn hơn, dễ dàng di chuyển và điều khiển.
Thiết kế động cơ AWD đặt dọc không chỉ tăng cường tính năng động của xe mà còn cải thiện khả năng vượt địa hình, tăng độ bám đường và giảm trơn trượt Hệ thống này cũng nâng cao khả năng lái và cải thiện hệ thống treo, mang lại trải nghiệm lái tốt hơn.
Mặc dù phương án động cơ đặt dọc có nhiều ưu điểm, nhưng nó cũng tồn tại một số nhược điểm đáng lưu ý Việc đặt động cơ theo chiều dọc có thể làm tăng trọng lượng xe, dẫn đến mức tiêu thụ nhiên liệu cao hơn và hiệu suất xe giảm Hơn nữa, sửa chữa và bảo trì các linh kiện của hệ thống AWD đặt dọc thường phức tạp và tốn kém hơn so với các hệ thống truyền lực khác.
Trong khóa luận này, em chỉ đi sâu vào nghiên cứu hệ thống truyền lực kiểu AWD loại động cơ đặt dọc, không có bộ vi sai trung tâm
Bố trí như hình vẽ:
Hình 3 Phương án lựa chọn thiết kế
Tính toán sức kéo ô tô
Dung tích xi lanh (cm 3 ) 2497
Công suất cực đại 125kW tại 5000 (1/min)
Mômen xoắn cực đại (Nm) 265Nm tại 4000 (1/min)
Tốc độ tối đa (km/h) 200 (km/h)
Hộp số Tay số 6 cấp
Hệ thống nạp nhiên liệu Phun xăng điện tử EFI
Chiều dài cơ sở (mm) 2450
Chiều rộng cơ sở trước/sau (mm) 2013/1705
THIẾT KẾ HỘP PHÂN PHỐI CƠ KHÍ
Xây dựng đường đặc tính ngoài của động cơ, chọn động cơ đặt trên ô tô
G – Trọng lượng toàn bộ của ô tô: G = 19500 N
F – Hệ số cản lăn của mặt đường f = 0,019
Vmax – Tốc độ chuyển động lớn nhất của ô tô
3600 = 56 m/s k – Hệ số cản của không khí, với k = 0,20 – 0,35 ta chọn k = 0,28
F – Diện tích cản chính diện của ô tô (m 2 ): F = B.H.m
B – Chiều rộng lớn nhất của xe: B = R = 1,705 (m)
H – Chiều cao lớn nhất của ô tô tính từ mặt đường đến điểm cao nhất của ô tô:
H = C = 1,424m m – Hệ số điền đầy diện tích, lấy m = 0,85
t – Hiệu suất của hệ thống truyền lực: t = 0,97
Đường đặc tính tốc độ ngoài của động cơ thể hiện mối quan hệ giữa công suất (Ne) và mômen xoắn (Me) của động cơ Các giá trị của Ne và Me có thể được tính toán hoặc lấy từ đồ thị biểu diễn.
Hình 4: Đồ thị cân bằng công suất
Bảng 2: Tính các thông số của động cơ:
3.1.2 Xác định tỉ số truyền của hệ thống truyền lực
Tỉ số truyền của truyền lực chính được xác định theo công thức:
Trong đó: It : Tỉ số truyền của hộp số chính
If : Tỉ số truyền của hộp số phụ hoặc hộp phân phối
I0 : Tỉ số truyền của truyền lực chính
Xác định tỉ số truyền của truyền lực chính (i 0 ):
Tỉ số truyền của truyền lực chính i0 được xác định từ điều kiện đảm bảo cho ôtô đạt được vận tốc lớn nhất:
𝑟 𝑏 : Bán kính làm việc trung bình của bánh xe, được xác định theo kích thước lốp;
𝑟 𝑏 = 𝜆𝑟 0 , với r0 là bán kính thiết kế của bánh xe
𝑟 0 = 𝐻 + 𝑑 2 ; B là bề rộng của lốp; H = B 0,65 = 205 0,65 = 133 mm d = đường kính vành bánh xe; d = 16.25,4 = 406 mm
𝜆 : hệ số kể đến sự biến dạng của lốp 𝜆 = 0,93
Trong bài viết này, chúng ta có thể tính toán các thông số kỹ thuật của động cơ ô tô Đầu tiên, với r b = 0,93 và 336, ta có giá trị r b = 0,312 m Số vòng quay của trục khuỷu động cơ tại vận tốc lớn nhất là nv = ne max = 5000 v/phút, tương ứng với vmax = 52 m/s Tỉ số truyền hộp phân phối được chọn là ifc = 1,25 nhằm giảm tải cho truyền lực chính, phân phối mô men một cách hiệu quả và nâng cao gầm xe Cuối cùng, tỉ số truyền của hộp số chính ở số truyền thẳng được xác định là ihn = 0,77.
Xác định tỉ số truyền của hộp số chính:
Tỉ số truyền ở số truyền 1:
Tỉ số ih1 được xác định dựa trên điều kiện cần và đủ để ô tô vượt qua lực cản lớn nhất, đồng thời đảm bảo rằng bánh xe chủ động không bị trượt quay trong mọi điều kiện di chuyển.
Trong đó: ψmax = f – tgαmax = 0,019 + tg20 0 = 0,38
Phân bố tải trọng trên xe 5 chỗ:
- Khi không tải: cầu trước 61%, cầu sau 39%
- Khi toàn tải: cầu trước 49%, cầu sau 51% Gt = 19500 N; Khi toàn tải thì trọng lượng tác dụng lên cầu sau là : G2 = 19500.51% = 9945 N Hệ số mk=1,3
Gb = mk.G2 = 12928 (N): Trọng lượng bám đặt lên bánh xe chủ động
Me max = 265 (N.m): Mômen xoắn max của động cơ Φ – Chọn theo điều kiện tốt: Đường nhựa, khô, sạch φ = 0,80
Từ hai điều kiện trên và theo nguyên tắc chọn ih1 sát điều kiện cản
Tỉ số truyền của các số truyền trung gian:
Chọn số cấp trong hộp số: Hộp số cơ khí, số cấp số tiến n = 6, một số lùi
Tỉ số truyền của các số truyền trung gian chọn theo quy luật cấp số nhân:
𝑖 ℎ4 = √𝑖 2 ℎ1 1 = √3,2 2 1 = 1,79 ih5 = 1 (số truyền thẳng) ih6 = 0,77 thường trị số truyền tăng nằm trong khoảng 0,7 – 0,85
Tỉ số truyền của số lùi: ne(1/min) v(m/s) 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000
Trị số của tỉ số truyền lùi được chọn lớn hơn trị số của số truyền 1: i1 = (0,9 – 1,15).ih1 Chọn i1 = 1,05 ih1 = 1,05 3,2 = 3,36
Vận tốc chuyển động của ô tô ở các số truyền được xác định theo công thức:
60.𝑖 0 𝑖 𝑓𝑐 𝑖 ℎ𝑚 (m/s) m – chỉ số tỉ số truyền đang tính m = 1/6 ne biến thiên từ ne min / ne max
Bảng 3: Vận tốc của ô tô theo các số truyền
Số truyền VI 17 22 28 33 39 44 50 56 a Lựa chọn phương án thiết kế
Hộp phân phối trên xe nhiều cầu chủ động là một bộ phận quan trọng trong hệ thống truyền động, có nhiệm vụ phân phối lực kéo giữa các bánh xe Nó điều chỉnh mức lực kéo đến từng bánh xe dựa trên điều kiện địa hình và độ ma sát của bề mặt đường.
Hệ thống AWD trên xe được trang bị hộp phân phối với công nghệ điện tử tự động, giúp phân phối lực kéo tới từng bánh xe để duy trì sự cân bằng và ổn định khi di chuyển trên mọi địa hình Hệ thống này liên tục cập nhật thông tin về tình trạng đường, điều chỉnh lực kéo để đảm bảo an toàn Hộp phân phối phân bổ lực cho cả bánh xe trước và sau, cải thiện độ bám đường trong mọi điều kiện Ưu điểm của AWD là chi phí thấp hơn so với các phương án khác, cùng với thiết kế đơn giản giúp dễ dàng sửa chữa và bảo dưỡng Hơn nữa, hộp phân phối với khớp ma sát giúp giảm thiểu mất lực kéo, tiết kiệm nhiên liệu hiệu quả.
Hộp phân phối của xe AWD toàn thời gian có vai trò quan trọng trong việc phân phối lực kéo đến các bánh xe, điều này phụ thuộc vào điều kiện địa hình và độ ma sát của bề mặt đường Hộp phân phối bao gồm nhiều thành phần thiết yếu để đảm bảo hiệu suất tối ưu cho hệ thống dẫn động bốn bánh.
Cầu trước và cầu sau: Các cầu này được kết nối với hộp phân phối và nhận lực kéo từ động cơ thông qua hộp số
Đĩa chuyển động: Đĩa chuyển động kết nối các cầu trước và sau với nhau
Bộ truyền động trung tâm: Là nơi lực kéo được phân phối đến các cầu trước và sau
Các bộ phận điều khiển bao gồm mạch cảm biến, mạch điện tử và bộ xử lý, có chức năng đo lực kéo phân phối tới các bánh xe Chúng điều chỉnh mức lực kéo dựa trên điều kiện địa hình và độ ma sát của bề mặt đường.
Hộp số truyền động là thành phần kết nối động cơ với hộp phân phối, có chức năng chuyển đổi và truyền lực kéo đến các cầu trước và sau của xe.
Khớp ma sát trong hộp phân phối mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng có những nhược điểm cần lưu ý Đầu tiên, nếu không được bảo trì và thay thế định kỳ, khớp ma sát có thể nhanh chóng bị mòn và hư hỏng, đặc biệt trong điều kiện làm việc khắc nghiệt Hơn nữa, việc sửa chữa khớp ma sát có thể tốn kém và tiêu tốn nhiều thời gian.
Khớp ma sát có thể làm giảm hiệu suất chuyển động do sự trơn trượt giữa các bộ phận trong khớp, dẫn đến khả năng chuyển tải lực kém và giảm độ bền của hộp phân phối.
Khớp ma sát có thể tạo ra sự chênh lệch lực kéo giữa các bánh xe, đặc biệt khi di chuyển trên đường trơn trượt, dẫn đến giảm ổn định và cảm giác lái của xe.
21 b Mục tiêu đề tài phần thiết kế cơ khí
Mục tiêu thiết kế cơ khí hộp phân phối cho xe ô tô AWD là đảm bảo khả năng di chuyển trên mọi loại địa hình Hộp phân phối cần được thiết kế để phân phối lực kéo chính xác và hiệu quả đến từng bánh xe, giúp xe dễ dàng vượt qua các địa hình khó khăn và nâng cao khả năng vận hành trong điều kiện khắc nghiệt.
Mục tiêu của đề tài là cải thiện khả năng tăng tốc và độ ổn định cho xe, giúp hộp phân phối vận hành trơn tru và mạnh mẽ hơn, nâng cao trải nghiệm lái Để đảm bảo an toàn cho người lái và hành khách, hộp phân phối cần được thiết kế với tính ổn định và độ bền cao, đồng thời vẫn giữ được tính thẩm mỹ cho xe.
Cuối cùng, việc đáp ứng yêu cầu tiết kiệm nhiên liệu và giảm tiếng ồn trong quá trình vận hành là rất quan trọng Tiết kiệm nhiên liệu không chỉ giúp giảm chi phí hoạt động của xe mà còn nâng cao trải nghiệm lái Đồng thời, giảm thiểu tiếng ồn cũng góp phần cải thiện tính thẩm mỹ của xe.
Tính toán các thông số hình học và tính bền bộ truyền cặp bánh răng trục răng nghiêng:
- Chọn vật liệu: Thép 40X xianua hóa trong chất lỏng với độ sâu 0,2 – 0,4mm đạt độ cứng bề mặt 56HRC và lõi 30 – 45HRC và có [𝜎 𝑢 ] = 850 (MN/m 2 ), [𝜎 𝑡 ] = 1500 (MN/m 2 )
Chế độ tải trọng từ bánh xe chủ động cần tính toán theo điều kiện bám lớn nhất của các bánh xe
Mômen phản lực tổng cộng lên các bánh xe chủ động là 19500 N, được tính theo công thức 3,05.1,25 = 1277 (Nm) Mômen này tác động tại vị trí ăn khớp bánh răng của hộp phân phối, với tỉ số truyền từ bánh xe đến chi tiết cần tính là it = i0 = 3,05.
Xác định khoảng cách giữa các trục a:
Trong đó: a – hệ số kinh nghiệm với xe có hộp phân phối a = 17 – 21,5, ta chọn a = 17
Xây dựng đồ thị các chỉ tiêu động lực học của ô tô
Xác định chỉ tiêu về công suất:
Phương trình cân bằng công suất
Trường hợp tổng quát ô tô làm việc trên dốc nghiêng
Nk – Công suất kéo ở bánh xe chủ động, được xác định theo công thức:
Nf – Công suất tiêu hao cho cản lăn: Nf = G.f.v.cosα (W)
Trong đó góc α = 0 0 (khi xe chạy trên đường bằng)
Ni – Công suất tiêu hao cho cản lên dốc: Ni = G.v.sinα (W)
Công suất tiêu hao cho cản không khí được tính bằng công thức Nω = k.F.v³ (W), trong đó δi là hệ số phản ánh ảnh hưởng của các khối lượng quay trong động cơ, hệ thống truyền lực và các bánh xe; j đại diện cho gia tốc của ô tô.
Bảng 5: Tính công suất của ô tô
Nhận xét từ đồ thị cân bằng công suất cho thấy mối quan hệ giữa công suất kéo và các bánh xe chủ động, cũng như công suất của các lực cản chuyển động Điều này giúp chúng ta hiểu rõ hơn về mức độ sử dụng công suất của động cơ.
Xác định chỉ tiêu lực kéo:
Phương trình cân bằng lực kéo:
Phương trình cân bằng lực kéo của ô tô khi chuyển động tổng quát:
Pk=Pf+PwPi Pj +Pm
𝑔.J +n..Q Khi chạy ổn định Pj = 0 (lực cản quán tính, xe con Pm = 0 (lực cản kéo móc), trên đường bằng α = 0 𝑀 𝑒 𝑖 0 𝑖 𝑓 𝑖 ℎ 𝜂 𝑡
𝑟 𝑏 = G.f + k A.V 2 Để lập bảng tính lực kéo theo tốc độ cần sử dụng các công thức: v = 0,377 𝑖 𝑟 𝑏 𝑛 𝑒
Bảng 6: Tính lực kéo P k theo tốc độ ô tô:
Bảng 7: Tính lực cản không khí theo tốc độ ô tô:
Tính theo công thức sau: Pω = k F V 2 và Pf = G f = 371 (N)
+P𝜔 541 674 845 1053 1300 1585 1907 2267 Đồ thị cân bằng lực kéo
Qua đồ thị cân bằng lực kéo, ta có thể xác định các chỉ tiêu động lực học của ô tô trong quá trình chuyển động đều, đồng thời xác định được cản lớn nhất của đường mà ô tô có khả năng vượt qua.
Hình 5: Đồ thị cân bằng lực kéo
- Tại điểm đường cong được chia làm 2 nhánh:
+ Nhánh bên phải là nhánh ổn định
+ Nhánh bên trái là nhánh không ổn định
Nhánh cuối của các đường cong Pki luôn nằm bên phải tay số Pk(i+1) tiếp theo, đảm bảo tính ổn định Do đó, khi chuyển số xe, lực cản vẫn được khắc phục hiệu quả.
Xác định chỉ tiêu về nhân tố động lực học D
Xác định nhân tốc động lực học D khi ô tô chở định mức
- Phương trình nhân tố động lực học D khi ô tô chở tải định mức
- Đồ thị nhân tố động lực học:
𝐺 m = 1/6 Là chỉ số ứng với số truyền đang tính
Bảng 8: Nhân tố động lực học D theo tốc độ
Số truyền II 5.38 7.17 8.96 10.75 12.54 14.34 16.13 17.92 Pk2(N) 4653 5217 6543 7051 7333 7474 7333 7051 Pw2(N) 17.7 31.5 49.2 70.9 96.5 126.0 159.5 196.9 D2 0.238 0.266 0.333 0.358 0.371 0.377 0.368 0.351
Số truyền III 5.89 7.78 9.73 11.67 13.62 15.56 17.51 19.45 Pk3(N) 4244 4759 5968 6431 6688 6817 6688 6431 Pw3(N) 21.3 37.1 58.0 83.5 113.7 148.5 188.0 232.1 D3 0.217 0.242 0.303 0.326 0.337 0.342 0.333 0.318
Hình 6: Đồ thị động học D Nhận xét: Dựa vào đồ thị nhân tố động lực học và đồ thị khi tải trọng thay đổi có thể xác định được:
- Giá trị của nhân tố động lực học tại một vận tốc xác định khi tải thay đổi
- Hệ số cản lớn nhất của mặt đường
- Xác định vận tốc chuyển động của ô tô khi biết hệ số cản của mặt đường và tải trọng.
Tính toán sức bền hộp số
Chế độ tải trọng theo bám để tính mômen truyền đến các trục của hộp phân phối:
Bảng 9: Giá trị mômen tt Tên gọi Theo bám từ bánh xe
1 Trục sơ cấp Mt1= 𝑀 𝜙1max = 𝜙𝜙 𝑖 𝑏𝑥𝑚𝑎𝑥
Trong đó: i0: Tỉ số truyền của truyền lực chính i0 = 3,84 if: Tỉ số truyền của hộp số phụ if = 1,25
𝜙 𝑚𝑎𝑥 : Hệ số bám lớn nhất 𝜙 𝑚𝑎𝑥 = 0,8
G𝜙: Trọng lượng bám của ô tô: G𝜙 500N rbx: Bán kính làm việc trung bình của bánh xe chủ động rbx = 0,312 m
Lực tác dụng lên các cặp bánh răng trụ răng nghiêng:
Bảng 10: Giá trị lực tác dụng
Tên gọi Lực trên trục sơ cấp(kN) Lực trục thứ cấp(kN)
Lực vòng Pi (kN) Pi1= 2 𝑀 𝑡1
𝑍 2 𝑚 𝑠 ,75 Lực hướng kính Ri(kN) Ri1= Pi1.tg𝛼 = 5,73 Ri2= Pi2.tg𝛼 = 5,73 Lực chiều trục Qi(kN) Qi1 = Pi1 tg𝛽 = 7,34 Qi2 = Pi2 tg𝛽 = 7,34
Kiểm tra sức bền uốn:
𝑏∗𝜋∗𝑚 𝑛𝑡𝑏 ∗𝑦∗𝐾𝛽 (MN/m 2 ) (6) Trong đó: b – chiều rộng làm việc của vành răng
Kd – hệ số tải trọng động bên ngoài Kd = 1,2
Kms – hệ số tính đến ma sát Kms = 1,1
Kc – hệ số tính đến độ cứng vững của trục và phương pháp lắp bánh răng lên trục Kc = 1
Ktp - hệ số tính đến tải trọng động phụ do sai số các bước răng khi gia công gây lên Ktp = 1,2 – 1,3 chọn 1,2
Kβ là hệ số phản ánh ảnh hưởng của độ trùng khớp hướng chiều trục đến sức bền của bánh răng Mntb đại diện cho môđun pháp tuyến tại tiết diện trung bình, trong khi y là hệ số dạng răng.
Kgc – hệ số tính đến ứng suất tập trung ở các góc lượn của răng do phương pháp gia công gây nên Kgc = 1
- Cặp bánh răng luôn ăn khớp: 𝐾 𝛽= 1,9; y = 0,15
Ta thấy 𝜎 𝑢 < [𝜎 𝑢 ] = 850 MN/m 2 vậy thỏa mãn điều kiện bền uốn
Kiểm tra sức bền tiếp xúc:
Theo công thức ta có: 𝜎 𝑡𝑥 = 0,418 𝑐𝑜𝑠 𝛽 √ 𝑃 ′ 𝐸
Trong đó : β – góc nghiêng của răng
P’ = (0,5 – 0,6).P = 7,87 -9,45 chọn P’ = 8 – lực vòng tính theo độ bền lâu hay bền mỏi (N)
E – môđun đàn hồi E = 2,2.10 5 N/m 2 b’ = 16,55 mm – chiều dài tiếp xúc của răng r1, r2 – bán kính vòng lăn của bánh răng chủ động và bánh răng bị động α = 20 0 – góc ăn khớp
Cặp bánh răng ăn khớp:
100,5)= 836MN/m 2 Kiểm tra điều kiện 𝜎 𝑡 < [𝜎 𝑡 ] = 1500MN/m 2
Thiết kế bộ truyền vi sai
Bộ truyền vi sai là thiết bị quan trọng giúp phân phối lực xoắn giữa hai bánh xe trên cùng một trục một cách hiệu quả, nhằm giảm thiểu hiện tượng trượt bánh khi xe di chuyển trên địa hình và điều kiện thời tiết khác nhau Thiết kế bộ truyền vi sai yêu cầu tính toán chính xác và sử dụng vật liệu chất lượng cao để đảm bảo độ bền và ổn định cho hệ thống truyền động.
Hình 7: Sơ đồ thiết kế vi sai
3.4.1 Xác định kích thước vi sai
Bộ vi sai được lắp đặt bên trong bánh răng bị động của hộp phân phối, do đó kích thước của nó cần phải được thiết kế phù hợp để có thể vừa vặn trong không gian này.
Chúng tôi sử dụng thép hợp kim 25XT cacbon để chế tạo bánh răng vi sai, với lớp thấm bề mặt dày 1mm Vật liệu này đạt độ cứng HRC60, độ rắn từ 58-63 HRC, và có giới hạn bền kéo [σu] là 1150 MN/m² cùng với giới hạn bền cắt [σtx] là 950 MN/m².
- Chọn sơ bộ môđun của các bánh răng vi sai m = 4 (mm)
- Chọn số bánh răng hành tinh của bộ vi sai q = 4 bảnh răng
Đường kính vòng đỉnh của bánh răng bán trục Dd2 được tính bằng công thức Dd – e, với e là khoảng cách giữa đỉnh bánh răng và vỏ vi sai Trong trường hợp này, e được chọn là 0,35, dẫn đến Dd2 = 0,35 x 196 mm, tương đương với 69 mm.
- Chọn số răng của bánh răng bán trục
Theo yêu cầu của bộ vi sai, bánh răng bị động của truyền lực chính phải nằm gọn trong cấu trúc của nó Đường kính vòng đỉnh của bánh răng bán trục được xác định tại vị trí vòng đỉnh của bánh răng này.
- Số răng của bánh răng bán trục Zb:
- Số răng của bánh răng hành tinh Zh được chọn theo tỷ số truyền được chọn là: iht = 1,25
3.4.2 Các thông số hình học của bộ truyền vi sai
Các thông số hình học của cặp bánh răng ăn khớp vi sai được tính toán như trong bảng dưới đây
Bảng 11: Các thông số hình học của bộ truyền vi sai
STT Tên thông số Kí hiệu Đơn vị
1 Số bánh răng vi sai q 4 2
3 Tỷ số truyền iht Zb/Zh 1,30
5 Nửa góc côn chia 𝛿 Độ Arctg(Zh/Zb) 37,4 0 52,59 0
6 Chiều rộng bánh răng b mm 0,3.Re 12,84
8 Chiều dài đường sinh côn chia Re mm
9 Đường kính vòng chia đáy lớn dc mm mZi 52 68
10 Bán kính vòng chia đáy lớn r1 mm dc/2 26 34
11 Bước răng đáy lớn ts mm 𝜋m 12,56
12 Đường kính vòng đỉnh đáy lớn de mm dc+2hicos𝛿i 58,35 72,68
13 Khe hở chân răng ở đáy lớn c mm 0,2m 0,8
15 Chiều cao đầu răng đáy lớn he mm m 4 4
16 Chiều dày răng đáy lớn trên vòng chia s mm 𝜋𝑚
17 Chiều cao răng đáy lớn h mm 2,25.m 9
18 Đường kính vòng chân răng đáy lớn di mm dc-2c 25,2 33,2
19 Bán kính vòng chia trung bình rx mm r1- 0,5bsin𝛿 𝑖 22,1 28,9
3.4.3 Tính bền bộ truyền vi sai
Hình 8: Sơ đồ lực vi sai
Trong quá trình tính toán bền cho bộ vi sai, tải trọng tính toán được xác định dựa trên mômen cực đại phân bố lên một bánh răng bán trục, tương ứng với 0,6 mômen tính toán của truyền lực chính.
Việc tính toán độ bền của bộ truyền vi sai chỉ thực hiện cho bánh răng hành tinh nhỏ hơn Do đó, chúng ta chỉ cần xem xét độ bền của một bánh răng hành tinh Các lực tác động lên bánh răng hành tinh được thể hiện qua sơ đồ và được xác định theo các phương pháp cụ thể.
- Lực vòng tác dụng lên bánh răng hành tinh là:
- Lực chiều trục, ép bánh răng hành tinh vào vỏ vi sai:
Hình 9: Sơ đồ tính toán bền trong vi sai bánh răng côn
Tính toán ứng suất uốn Ứng suất uốn tác dụng lên răng của bánh răng vi sai được xác định theo công thức sau:
𝑘 𝑑 : Hệ số tải trọng động chọn bằng 1,5
Thay các thông số vào ta được:
Như vậy bánh răng đảm bảo độ bền uốn
Tính toán ứng suất tiếp xúc d4 d3 d1 d5 r 2
35 Ứng suất tiếp xúc tác dụng lên bề mặt răng được xác định theo công thức sau:
- P’ : Lực vòng tính theo chế độ tải trung bình
- E : Môđun đàn hồi của vật liệu lấy bằng: E = 20.10 10 N/m 2
- 𝑟 𝑡𝑑1 , 𝑟 𝑡𝑑2 : Bán kính tương đương của bánh răng chủ động và bánh răng bị động xác định theo công thức sau:
𝑐𝑜𝑠𝛿 (𝑟 𝑥 : bán kính trung bình của bánh răng côn)
Thay vào các giá trị ta được: 𝑟 𝑡𝑑1 = 32,73 𝑚𝑚 ; 𝑟 𝑡𝑑2 = 55,97 𝑚𝑚
Tính toán ứng suất cắt và ứng suất chèn dập
Khi thiết kế vi sai, cần chú ý đến ứng suất uốn và tiếp xúc trên bề mặt răng, đồng thời đảm bảo ứng suất chèn và cắt ở các bề mặt bánh răng, trục và vỏ vi sai Những yếu tố này là cơ sở để lựa chọn các kích thước khác của vi sai, được thể hiện qua hình vẽ đi kèm.
- Ứng suất chèn dập 𝜎 𝑐𝑑1 sinh ra giữa trục bánh răng hành tinh và lỗ bánh răng hành tinh:
𝑑 𝑣𝑠 : Đường kính trục chữ thập, từ đường kính bánh răng vi sai ta chọn
𝑙 1 : Được xác định theo chiều rộng bánh răng b
Thay các giá trị vào ta có:
Như vậy độ bền chèn dập giữa trục chữ thập và lỗ bánh răng hành tinh đảm bảo
- Ứng suất chèn dập 𝜎 𝑐𝑑2 sinh ra giữa trục chữ thập và vỏ vi sai:
𝑞 𝑟 2 𝑑 𝑣𝑠 𝑙 2 Trong đó: 𝑙 2 :Chiều dày bệ đỡ trục chữ thập trên vỏ vi sai Chọn 𝑙 2 = 60 𝑚𝑚 Thay vào các giá trị ta có:
Như vậy độ bền chèn dập giữa trục chữ thập và bệ đỡ trục chữ thập trên vỏ vi sai đảm bảo
- Ứng suất chèn dập 𝜎 𝑐𝑑3 sinh ra giữa đáy bánh răng hành tinh và vỏ vi sai do Qvs gây nên:
Trong đó ta có các kích thước d1, d6 như hình trên, chọn theo đường kính trục chữ thập và đường kính bánh răng hành tinh: d1 = 12 mm; d6 = 10 mm
Thay vào các giá trị ta có:
Như vậy độ bền dập 𝜎 𝑐𝑑3 sinh ra giữa đáy bánh răng hành tinh và vỏ vi sai do Qvs gây nên đảm bảo
- Ứng suất chèn dập 𝜎 𝑐𝑑4 sinh ra giữa đáy bánh răng bán trục và vỏ ci sai do Rvs gây nên:
Trong đó ta có các kích thước d3, d4 như hình trên, chọn theo đường kính ngoài của ống then bán trục và đường kính bánh răng bán trục: d3 = 22 (mm); d4 = 13 (mm)
Thay các giá trị vào ta có:
Như vậy độ bền dập 𝜎 𝑐𝑑4 sinh ra giữa đáy bánh răng bán trục và vỏ vi sai Rvs gây nên đảm bảo
- Ứng suất cắt 𝜏 trục chữ thập dưới tác dụng của lực vòng Pvs:
Tính toán thiết kế trục và chọn ổ bi
3.5.1 Tính toán thiết kế trục
Tính toán thiết kế trục là quá trình quan trọng nhằm đảm bảo trục đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật và tiêu chuẩn an toàn, từ đó hoạt động hiệu quả Các yếu tố cần xem xét bao gồm tải trọng, độ bền, độ chính xác, độ cứng và độ bền mỏi Mục tiêu chính của việc thiết kế trục là đảm bảo an toàn và hiệu quả cho xe trong quá trình vận hành.
38 cũng đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo tuổi thọ của hộp phân phối và giảm thiểu chi phí sửa chữa và bảo trì
Khi thiết kế kết cấu trục cần xét tới:
- Kết cấu trục và vấn đề nâng cao sức bền mỏi trục
- Cố định các chi tiết máy trên trục
- Kết cấu trục và vấn đề công nghệ
Tính toán thiết kế trục được tiến hành theo các bước sau:
2 Xác định tải trọng tác dụng lên trục
3 Xác định khoảng cách giữa các gối đỡ và điểm đặt lực
4 Xác định đường kính và chiều dài các đoạn trục
- Chọn vật liệu cho trục
Xe thiết kế với các chế độ hoạt động biến đổi liên tục và vận tốc cao, cùng với tải trọng không ổn định, yêu cầu vật liệu chế tạo trục phải đảm bảo độ bền và độ cứng Do đó, chúng tôi chọn thép 40X với độ rắn HB từ 241 đến 285 và giới hạn bền 950 MPa.
3.5.2 Xác định sơ bộ đường kính trục
Mục đích của nghiên cứu là xác định đường kính sơ bộ của trục và lựa chọn ổ bi phù hợp, từ đó xác định chiều dày các đoạn trục, đặc biệt là tại các điểm chịu lực Điều này giúp phác thảo đường kính trục một cách chính xác, tối ưu hóa hiệu suất vận hành của xe, giảm tiêu hao nhiên liệu và giảm thiểu độ ma sát giữa các bộ phận.
Lực tác dụng lên trục được cân bằng nhờ các cặp bánh răng hành tinh đối xứng, giúp triệt tiêu các phản lực gây cuốn trục Do đó, trong phần này, chúng ta chỉ cần tính toán trục sơ bộ dựa trên kết cấu hộp số và tiến hành kiểm nghiệm bền cho trục.
Tiết diện A: Tiết diện lắp bánh răng trụ 1
Tiết diện B: Tiết diện lắp bánh răng trụ 2
Tiết diện C: Tiết diện lắp với bánh răng bán trục
Tính toán trục hộp số:
- Tính chọn sơ bộ đường kính cho các đoạn trục như sau:
M – Mômen xoắn (Nm) trục sơ cấp
𝑊 0 – Mômen chống xoắn 𝑊 0 = 0,2 𝑑 3 d – Đường kính trục
[𝛿 𝑥 ] - Ứng suất xoắn cho phép Với vật liệu là thép 45 thì ứng suất xoắn cho phộp là là [ x ] = [ u ] = 72( MN/m 2 )
Thay các giá trị vào công thức (8) ta có:
- Đường kính trục sơ cấp: dI = √ 3 0,2.95.10 1277 6 = 40(mm)
Trong đó: Mômen xoắn lên trục sơ cấp là: M 1 max = 1277(Nm)
- Đường kính trục thứ cấp:
Ta có mômen trên trục thứ cấp M 2 = 1596(Nm) dII = 3 6
Vậy ta có: Đường kính trục sơ cấp: dI = 40 (mm) chọn d = 40 mm Đường kính trục thứ cấp: dII = 44 (mm) chọn d = 50 mm
Trong phần này, chúng ta sẽ thực hiện tính toán trục sơ bộ, sử dụng kết cấu hộp phân phối Sau đó, tiến hành kiểm nghiệm độ bền của trục I tại vị trí lắp bánh răng trụ nghiêng.
Trong đó Wu là mômen chống uốn, Wu = 0,1.d 3
Vậy thỏa mãn bền uốn
- Tính trục theo độ bền xoắn:
Ta tính độ bền trục sơ cấp tại những tiết diện nguy hiểm
Tại tiết diện lắp bánh răng trụ:
𝑥 = 0,2.0,04 1277 3 = 99(MN/m 2 ) [ u ] = 95(MN/m 2 ) (giới hạn bền có thể sai lệch 10% nên thỏa mãn bền xoắn)
Trong đó Wx là mômen chống xoắn, Wx = 0,2.d 3
Kiểm tra chèn dập then hoa:
0,75.8.0,062.0,006.0,025 = 29𝑀𝑁/𝑚 2 Vậy thỏa mãn [ cd ] = 30- 50MN/m 2
L = 62 mm chiều dài then h = 6 mm dtb = 25 mm
- Đối với trục sơ cấp chọn ổ bi đỡ 1 dãy 208
- Đối với trục thứ cấp chọn ổ bi đũa côn 7210
Kiểm tra độ võng và góc xoay: tại chỗ lắp bánh răng db = 40 mm
2 𝑐 2 2 3(𝑐 1 +𝑐 2 ).𝐸.𝐽 = 0,02 mm < 0,1 mm => Vậy thỏa mãn
1 +𝑐 2 )𝐸𝐽 𝑟 𝑏𝑟 = 0,0013 Vậy thỏa mãn trong khoảng 0,001 – 0,002 rad
Hình 10: Lực tác dụng lên trục
Thiết kế tính toán khớp ma sát
- Xác định mômen ma sát:
Yêu cầu: Khớp ma sát phải thiết kế sao cho nó phải truyền hết mômen và đồng thời phải bảo vệ cho hộp phân phối không bị quá tải
Mômen ma sát của khớp ma sát được tính theo công thức:
3,05 = 926 𝑁𝑚: Mômen bám lớn nhất của cầu sau chủ động max
3,05 = 65 𝑁𝑚 : Mômen bám lớn nhất của cầu trước chủ động max
Trong đó: Hệ số bám max 𝜙 𝑚𝑎𝑛 = 0,7 và min 𝜙 𝑚𝑖𝑛 = 0,05
Hệ số dự trữ của ô tô con: 𝛽= 1,11,3 với ô tô con chọn 𝛽 = 1,1
M = 1,1.861 = 947 (Nm) Nhưng truyền qua 2 khớp ma sát đối xứng nên Mc1= Mc2= Mc/2 = 474 Nm
- Xác định bán kính đĩa ma sát
Tính sơ bộ đường kính ngoài D của đĩa răng trong và răng ngoài:
Chiều cao bánh răng h là 52,2 mm, khoảng cách làm việc răng k là 14,3 mm, và khoảng cách từ mặt ngoài vỏ đến mặt trong vỏ vi sai b là 18,2 mm Chiều cao răng trong e là 4,6 mm Đường kính trong đĩa ma sát d nằm trong khoảng từ 0,53 đến 0,75, với D dao động từ 46,428 đến 65,7 Cuối cùng, chọn d là 58 mm.
Bán kính trung bình Rtb = 𝑅 𝑚𝑠𝑛 +𝑟 𝑚𝑠𝑡
4 = 18,2𝑚𝑚 Lực ép tổng cộng được tính từ mômen ma sát: Mc1= Mc2= k.𝜇 𝐹 𝑅 𝜇 𝑧 Trong đó: k – hệ số kể đến sự giảm ép lên bề mặt ma sát k = 1,2
𝜇 – hệ số ma sát 𝜇 = 0,25 − 0,28 chọn 𝜇 = 0,3 z – số đôi bề mặt ma sát z = 8
F – lực ép tổng cộng lên bề mặt ma sát
- Xác định số lượng đĩa bị động
Số đôi bề mặt ma sát phải là số chẵn => z = 8
Vậy số lượng đĩa bị động là i = z/2 = 4 đĩa
Tính áp suất pitong tác dụng lên bề mặt ma sát theo công thức: p = 𝐹 𝑠 = 9043 8,33 = 1085𝑁/𝑚 2
Trong đó: s – hành trình pitong với v = 30 km/h trong 1s nên s = 8,88 m
[p] – áp suất dầu làm việc cho phép: [p] = 120KG/cm 2 = 120.10 5 N/m 2 p < [p] – thỏa mãn áp suất cho phép: p 120 10 5 N/m 2
- Tính kiểm tra điều kiện làm việc của đĩa ma sát:
Để tính toán chế độ tải nhiệt của đĩa ma sát, cần xác định công trượt riêng của khớp ma sát, từ đó lượng công trượt sẽ được chuyển hóa thành nhiệt năng, làm nóng đĩa ma sát.
Trong đó: s là quãng đường với vận tốc v = 30km/h = 8,33 m/s trong thời gian t = 1s
𝑙 = 𝜋.(𝐷 2 𝐿 −𝑑 2 ).𝑧 = 𝜋(0,0876 9038,05 2 −0,058 2 ).8 = 83483 (J/m 2 ) = 83,483( J cm / 2 ) Với ô tô con công trượt riêng giới hạn là 50 – 70 (𝐽/𝑐𝑚 2 )
Vậy công trượt riêng thỏa mãn vượt quá điều kiện cho phép 10%
- Tính sức bền đĩa ma sát
Tấm ma sát thường được chế tạo từ vật liệu C40, với ứng suất chèn dập trong khoảng 30-70 MN/m², nhằm đảm bảo khả năng làm việc hiệu quả trong môi trường chịu mài mòn và nhiệt độ cao.
Tính ứng suất chèn dập răng đĩa răng trong:
Z = 8 (số răng) b = 3 mm (bề rộng răng) h = 8 mm dtb = 69,4 mm
Tính ứng suất chèn dập răng đĩa răng trong:
B = 3 mm (bề rộng răng) h = 8 mm
- Đánh giá chung về cơ cấu vi sai và khớp ma sát:
Khi lực bám giữa các bánh xe trước và sau đồng đều, mômen từ hộp số chính được truyền qua khớp ma sát nhờ lực ép của các đĩa răng, giúp chuyển động từ động cơ đến các bánh xe Đồng thời, việc truyền qua vỏ vi sai từ bánh răng bán trục ra cầu sau cũng tăng cường khả năng vận hành và kiểm soát của xe trên nhiều loại địa hình khác nhau.
Lỗ trục hình chữ nhật trong thiết kế bánh răng vi sai giúp tăng cường hiệu suất truyền tải mômen xoắn từ hộp số đến bánh xe Khi bánh răng di chuyển, nó tạo ra lực ép lớn hơn giữa các đĩa răng ngoài và trong, từ đó nâng cao khả năng vận hành của hệ thống Thiết kế này không chỉ tối ưu hóa hiệu suất của hộp phân phối mà còn đảm bảo sự ổn định của xe trên mọi địa hình.
Khi lực bám vượt quá khả năng của lực ma sát, khớp ma sát sẽ trượt giữa các đĩa ma sát, giúp bảo vệ hệ thống truyền lực khỏi quá tải.
