Tính toán thiết kế lò xo ly hợp đĩa côn

Lời nói đầu Sau khi học xong môn học lý thuyết ô tô máy công trình, kết cấu và tính toán ô tô. Sinh viên được giao làm đồ án môn học. Với nền công nghiệp phát triển ngày càng hiện đại, các nhu cầu trong lao động và cuộc sống của con người càng được nâng cao. Vấn đề vận chuyển hàng hóa, đi lại của con người là một trong những nhu cầu rất cần thiết. Ô tô là một loại phương tiện rất phát triển và phổ biến trên thế giới và ở Việt Nam hiện nay để đáp ứng cho nhu cầu đó. Trong các loại ôtô, xe tải là phương tiện chủ yếu dùng để chuyên chở hàng hóa. Là một sinh viên ngành động lực, việc tìm hiểu, nghiên cứu, tính toán và thiết kế các bộ phận, cụm máy, chi tiết trong xe tải là rất thiết thực và bổ ích. Trong khuôn khổ giới hạn của một đồ án môn học, em được giao nhiệm vụ thiết kế và tính toán ly hợp xe tải. Công việc này đã giúp cho em bước đầu làm quen với công việc thiết kế mà em đã được học ở trường để ứng dụng cho thực tế, đồng thời nó còn giúp cho em cũng cố lại kiến thức sau khi đã học các môn lý thuyết trước đó. Dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo TS. Lê Văn Tụy và sự nổ lực của bản thân, sau một khoảng thời gian cho phép em đã hoàn thành được đồ án của mình. Vì bước đầu tính toán thiết kế còn rất bỡ ngỡ cho nên không tránh khỏi những sai sót, nhầm lẫn. Do vậy, em rất mong các thầy thông cảm và chỉ bảo thêm để em được hoàn thiện hơn trong quá trình học tập của mình. Đà Nẵng, ngày 23.05.2011. Sinh viên Lê Hoàng Thảo Mục lục 3.5 Xác định các kích thước còn lại.............................................................. ...31 4. Kết luận.................................................................................................................32CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA XE CHO TRƯỚC. STT Tên thông số kỹ thuật Ký hiệu Giá trị Đơn vị 1 Loại xe Xe tải 2 Trọng lượng toàn bộ Ga 2500 Kg 3 Vận tốc cực đại Vmax 130 Km/h 4 Loại động cơ Xăng 5 Công suất Nemax Nemax 81 Kw 6 Số vòng quay nN nN 5000 Vg/ph 7 Mômen xoắn Memax Memax 184 N.m 8 Số vòng quay nM nM 3000 Vg/ph 9 Bán kính làm việc bánh xe r 0,33 m 1. Tổng quan về ly hợp trên ô tô. 1.1 Công dụng của ly hợp. Ly hợp là khớp nối giữa trục khuỷu động cơ với hệ thống truyền lực. Nó được dùng để ngắt-nối truyền động từ trục khuỷu động cơ đến hệ thống truyền lực. Ngoài ra, ly hợp còn được dùng như một cơ cấu an toàn cho hệ thống truyền lực khi quá tải. Nếu khớp nối ly hợp không ngắt được truyền động từ trục khuỷu động cơ đến hệ thống truyền lực khi gài số thì việc gài số sẽ rất khó khăn và có thể gây ra sự dập răng; thậm chí có thể gây vỡ răng hộp số. Hơn thế nữa, nếu ly hợp không tự động ngắt khi phanh đột ngột thì có thể gây quá tải cho cả hệ thống truyền lực. 1.2 Các yêu cầu đối với ly hợp. Từ hai nhiệm vụ trên có 5 yêu cầu lớn đối với ly hợp là: - Ly hợp phải truyền được mô men quay lớn nhất của động cơ trong bất kỳ điều kiện làm việc nào. Hay nói cách khác, mô men ma sát của ly hợp phải luôn luôn lớn hơn mô men cực đại của động cơ. Tuy nhiên, mô men ma sát của ly hợp không được lớn quá nhằm bảo đảm được nhiệm vụ làm cơ cấu an toàn cho hệ thống truyền lực. - Đóng êm dịu để tăng từ từ momen quay lên trục của hệ thống truyền lực, không gây ra va đập ở các bánh răng. Ngoài ra khi ly hợp đóng êm dịu thì ôtô khởi hành hoặc tăng tốc từ từ không giật,làm cho người lái và hành khách đỡ mệt. - Việc mở ly hợp phải dứt khoát và nhanh chóng. Nghĩa là khi mở ly hợp, phần bị động phải tách hoàn toàn khỏi phần chủ động trong thời gian ngắn nhất; ngược lại sẽ gây khó khăn cho việc gài số. - Mômen quán tính của các chi tiết phần bị động của ly hợp phải nhỏ để giảm các lực va đập lên bánh răng khi sang số ,dễ gài số và giảm mài mòn các bề mặt ma sát của đồng tốc. - Phải làm được nhiệm vụ của bộ phận an toàn để tránh tác dụng lên hệ thống truyền lực những mômen quá lớn khi gặp quá tải.Vì vậy mômen ma sát phải không được lớn quá. Ngoài ra còn các yêu cầu khác như: + Kết cấu phải gọn nhẹ, điều khiển dễ dàng và nhẹ nhàng. +Điều khiển dễ dàng,lực tác dụng lên bàn đạp nhỏ. +Hệ số ma sát cao và ổn định. +Thoát nhiệt tốt. +Làm việc bền vững tin cậy. +Hiệu suất cao. +Giá thành rẻ, kết cấu ,sửa chữa, bảo dưỡng đơn giản. +Kích thước nhỏ gọn. 1.3 Phân loại ly hợp. Với yêu cầu nêu trên, hiện nay trên ôtô máy kéo sử dụng nhiều loại ly hợp. Và tuỳ theo tính chất truyền mô men, đặc điểm kết cấu..v.v có thể có các cách phân loại sau Dựa theo tính chất truyền mô men, người ta phân ra các loại ly hợp sau : Ly hợp ma sát cơ khí : Đó là loại ly hợp mà mô men ma sát hình thành ở ly hợp nhờ sự ma sát của các bề mặt ma sát cơ khí. Loại này được sử dụng phổ biến trên hầu hết các ôtô nhờ kết cấu đơn giản, dễ bảo dưỡng sữa chữa thay thế. Tuỳ theo hình dạng và đặc điểm kết cấu, có thể chia chúng ra làm các kiểu sau: - Theo hình dạng của bộ phận ma sát, 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). Kiểu hình côn và hình trống ngày nay không dùng nữa vì mô men quán tính của phần bị động khá lớn, ảnh hưởng không tốt đến việc gài số. ngày nay người ta vẫn quen gọi ly hợp là côn vì cách gọi này ngắn gọn và thông dụng do ly hợp dạng côn từng được sử dụng rộng rãi trong quá khứ. Kiểu ma sát đĩa dùng phổ biến và tuỳ theo cấu tạo có thể có kiểu một đĩa Kiểu hai đĩa hoặc có thể nhiều đĩa. Ly hợp ma sát một đĩa được dùng ở hầu hết trên tất cả các loại ôtô và máy kéo nhờ kết cấu đơn giản, gọn nhẹ, việc mở ly hợp dễ dứt khoát và mô men quán tính của phần bị động nhỏ. Hình 1.1: Ly hợp một đĩa ma sát 1: bánh đà 2: đĩa ma sát 3: đĩa ép 4: lò xo đia côn 5: vòng thép 6: đinh tán 7: vỏ ly hợp 8: ổ bi tỳ Kiểu ly hợp ma sát hai đĩa chỉ được dùng trên xe tải lớn (vì cần truyền mô men quay lớn). Nhược điểm của kiểu này là kết cấu phức tạp, việc mở ly hợp khó dứt khoát (khó cách ly các đĩa bị động khỏi phần chủ động); tuy nhiên việc đóng ly hợp là êm dịu hơn loại một đĩa (nhờ sự tiếp xúc của các bề mặt ma sát được tiến hành từ từ hơn). - Theo đặc điểm kết cấu của lò xo ép, có thể chia ly hợp ma sát cơ khí ra : + Ly hợp ma sát cơ khí kiểu nhiều lò xo ép hình trụ bố trí xung quanh: Kiểu này có kết cấu đơn giản, gọn nhẹ, có độ tin cậy cao (nếu một lò xo bị gẫy ly hợp vần làm việc được). Nhược điểm là áp lực sinh ra ở các bề mặt ma sát dễ không đều. Loại này được sử dụng phổ biến trên xe tải máy kéo và một số xe con. + Ly hợp ma sát cơ khí kiểu lò xo ép trung tâm chỉ gồm duy nhất một lò xo hình côn (hoặc có thể một hoặc hai lò xo trụ) bố trí ở giữa. Nhờ vậy áp suất sinh ra ở các bề mặt ma sát là đồng đều. Tuy nhiên độ tin cậy thấp (nếu lò xo gẫy thì ly hợp mất tác dụng), kết cấu đòn mở phức tạp và điều chỉnh rất khó khăn nên ít sử dụng. + Ly hợp ma sát cơ khí kiểu lò xo ép đĩa côn chỉ có một lò xo kiểu đĩa côn bố trí ở giữa nên áp lực phân bố đều lên bề mặt ma sát. Ly hợp với lò xo kiểu này có nhiều ưu điểm nổi bật: Lò xo làm luôn nhiệm vụ đòn mở nên kết cấu rất gọn nhẹ. Đặc tính của là xo là phi tuyến. nên lực để mở ly hợp hầu như không tăng thêm như loại lò xo hình trụ; vì vậy điều khiển nhẹ nhàng hơn. Nhược điểm cơ bản là không thể điều chỉnh khe hở giữa đòn mở và bạc mở khi tấm ma sát bị mòn nên ly hợp kiểu này chỉ sử dụng trên xe tải nhỏ và khách cở nhỏ có đặc tính động lực tốt, sử dụng trong điều kiện đường tốt (ít phải sang số). -Theo đặc điểm làm việc, có thể chia ra : Loại ly hợp thường đóng và ly hợp không thường đóng. + Ly hợp thường đóng là loại ly hợp kiểu lò xo ép thường xuyên đóng trong quá trình làm việc như các loại đã nêu ra ở trên. Ly hợp chỉ được mở thông qua hệ thống dẫn động dưới tác dụng của lực đạp ở bàn đạp ly hợp. + Ly hợp không thường đóng là loại ly hợp không có lò xo ép. Đĩa bi động và chủ động được ép vào nhau để đóng ly hợp thông qua một hệ thống đòn đặc biệt. Việc đóng hoặc mở ly hợp đều phải thông qua hệ thông đòn này dưới tác động lực điều khiển của người lái. Đối với máy kéo xích trong nông nghiệp hoặc các máy kéo xích chuyên dùng trong ngành xây dựng, chúng thường có hệ thống điều khiển riêng biệt nhờ các ly hợp chuyển hướng và phanh. Mặc khác, trong quá trình làm việc, chúng không những làm việc nhiều với các số tiến mà cả với số lùi tậm chí cả số “Mo” như khi điều khiển các liên hợp máy đào hố xúc đất hay những công việc trồng cây chăm bón cây trong nông nghiệp. Loại ly hợp không thường đóng có mô men quán tính của phần bị động ly hợp khá lớn nên thường phải có phanh con riêng để hãm trục ly hợp trước khi gài số nhằm tránh sự va đập răng của các bánh răng gài số. Ly hợp ma sát thuỷ lực : Đó là loại ly hợp mà mô men ma sát hình thành ở ly hợp nhờ ma sát chất lỏng. Ưu điểm nổi bật của ly hợp thủy lực là rất êm dịu (nhờ tính chất dễ trượt của chất lỏng) nhờ vậy giảm được tải trọng động cho động cơ và hệ thống truyền lực. Tuy vậy ly hợp thủy lực lại mở không dứt khoát vì luôn có mô men dư (dù số vòng quay của động cơ rất thấp) gây khó khăn cho việc gài số. Vì vậy ly hợp thủy lực thường được dùng kết hợp với một ly hợp ma sát cơ khí để ngắt hoàn toàn ly hợp khi gài số. Ngoài ra ly hợp thuỷ lực luôn luôn có sự trượt (ít nhất 2¸3%) do vậy gây thêm tổn hao công suất động cơ và do đó tăng tiêu hao nhiên liệu của xe. Mặc khác ly hợp thủy lực đòi hỏi cao về độ chính xác và kín khít cũng như dầu đặc biệt (có độ nhờn và nhiệt độ đông đặc thấp, không sủi bọt .v.v. ) nên giá thành ly hợp nói riêng và ôtô nói chung rất cao. Vì vậy ly hợp loại này chỉ sử dụng hạn chế trên các loại xe đặc biệt có công suất riêng lớn. Ly hợp điện từ : Đó là loại ly hợp mà mô men hình thành ở ly hợp nhờ mo men điện từ. Ly hợp điện từ truyền động êm dịu. Tuy vậy kết cấu kồng kềnh nên ít dùng trên ôtô mà thường được sử dụng trên tàu hoả. 2. Tính toán thiết kế cụm ly hợp. 2.1 Mô men ma sát của ly hợp: Ly hợp phải có khả năng truyền hết mô-men xoắn lớn nhất của động cơ Memax như sau: Mms = Memax.b (2-1) Trong đó : Mms : Mô-men ma sát yêu cầu của ly hợp, [N.m]. Memax : Mô-men xoắn lớn nhất của động cơ, [N.m]. Theo đề Memax = 184 [Nm]. : Hệ số dự trữ của ly hợp. Hệ số dự trữ ß tính đến các yếu tố làm giảm lực ép hoặc làm giảm momen ma sát trong quá trỡnh sử dụng như: - mòn vùng ma sát làm giảm lực ép 15% ÷20% -Giảm độ đàn hồi của lò xo ép làm giảm 8% ÷ 20% -Bẩn, rơi dầu mở vào bề mặt ma sát. Như vậy tổng lực ép do các yếu tố trên sẽ bị giảm khoảng 23% ÷30%Hệ số ß phải chọn không được nhỏ quá tuy vậy cũng không được lớn quá. Nếu ß lớn thì phải tăng lực ép do đó cần tăng lực điều khiển ly hợp nên gây mệt mỏi cho người lái. Cùng với đó thì kích thước của ly hợp tăng và mất vai trò của cơ cấu an toàn. Loại xe Trị số b Xe tải không có rmooc 1,6 ¸ 2,25 Chọn : b = 1,7 Thế số ta có : Mms = 184.1,7 = 312,8 [Nm] 2.2 Lựa chọn phương án thiết kế 2.2.1 Chọn ly hợp. Với yêu cầu của bài toán đưa ra là thiết kế ly hợp dành cho xe tải hạng nhỏ, momen ma sát yêu cầu của ly hợp nhỏ. Ta có thể chọn ly hợp dùng lò xo trụ hoặc lò xo đĩa côn. Với khả năng phân bố lực ép đều trên bề mặt tấm ma sát và kết cấu gọn nhẹ, đơn giản và thêm các chức năng hơn hẳn lò xo trụ nên ta chọn ly hợp dùng cho ôtô thiết kế là loại ly hợp ma sát khô, một đĩa ma sát, kiểu lò xo ép đĩa côn. Các phân tích tính ưu việt của loại ly hợp này đã được tình bày ở mục trên. 2.2.2 chọn sơ đồ dẫn động ly hợp. Trên ô tô máy kéo hiện nay thường dùng hai loại dẫn động là : Dẫn động cơ khí và dẫn động thủy lực. Ngoài ra để đảm bảo sự điều khiển nhẹ nhàng, giảm cường độ lao động cho người lái và tăng tính tiện nghi người ta còn dùng trợ lực khí nén hoặc trợ lực chân không. a.Phương án dẫn động cơ khí: + Đặc điểm của dẫn động cơ khí : Ưu điểm :Đơn giản , rẻ tiền, làm việc tin cậy. Hình 1.2: Sơ đồ ly hợp dẫn động kiểu cơ khí Nhược điểm : hiệu suất thấp nhất là khi dẫn động dài do động cơ đặt xa người lái ( do có nhiều khâu khớp).Độ cứng của dẫn động thấp hơn so với dẫn động thủy lực do nhiều khe hở trong các khâu khớp. Khó lắp đặt nhất là khi ca bin kiểu lật. 1.Bàn đạp; 2.Thanh kéo; 3.Đòn trung gian; 4.Thanh đẩy; 5.Càng mở (bên ngoài); 6.Càng mở(bên trong); 7.Lò xo hồi vị; 8.Ổ bi tỳ; 9. Giá tùy động; 10. Nạng mở; 11.Đĩa ép; 12.Bánh đà; 13.Tấm masát. b. Phương án dẫn động thủy lực: Hình 1.3 Sơ đồ ly hợp dẫn động kiểu thuỷ lực 1: Bánh đà. 2: Đĩa bị động. 3: Đòn mở. 4: Giá tùy động. 5: Bạc mở và ổ bi tỳ. ; 6: Lò xo hồi vị và ổ bi tỳ; 7: Bàn đạp; 8: Xilanh chính. 9: Xi lanh công tác: 10: Nạng mở. 11: Ống trượt. 12: Đĩa ép. +Đặc điểm của dẫn động thủy lực: -Ưu điểm: Hiệu suất cao ,độ cứng vững cao. Dễ lắp đặt (nhờ có thể sử dụng đường ống và các khớp nối mềm. ). Có khả năng hạn chế tốc độ dịch chuyển của đĩa ép khi đóng ly hợp đột ngột, giảm tải trọng động. -Nhược điểm: Kết cấu phức tạp ,đòi hỏi độ kín khít cao,lực dẫn động lớn hiệu suất giảm nhiều ở nhiệt độ thấp ,sự dao động của chất lỏng làm việc có thể làm cho các đường ống bị rung động , giá thành cao . Làm việc kém tin cậy khi có rò rỉ ,bảo dưỡng sửa chữa phức tạp. c. Phương án dẫn động thủy lục có trợ lực khí nén : để đảm bảo sự điều khiển nhẹ nhàng, giảm cường độ lao động cho người lái và tăng tính tiện nghi, người ta còn dùng trợ lực khí nén, trợ lực chân không hoặc trợ lực thủy lực. Hình 1.4 Sơ đồ dẫn động thủy lực trợ lực khí nén 1: Bánh đà. 2: Đĩa bị động. 3: Đòn mở. 4: Giá tùy động. 5: Bạc mở và ổ bi tỳ. ; 6: Lò xo hồi vị và ổ bi tỳ; 7: Bàn đạp; 8: Xilanh chính. 9: Xi lanh công tác: 10: Nạng mở. 11: Ống trượt. 12: Đĩa ép. qua các phân tích trên, đồng thời tham khảo dẫn động ly hợp của xe tham khảo tương đương ta chọn dẫn động ly hợp là dẫn động thủy lực. 2.3 Xác đinh các thông số và kích thước cơ bản của ly hợp: da dr R1 r R2 Hình 2.1 Sơ đồ tính toán đĩa masát 2.3.1 Bán kính hình vành khăn của bề mặt ma sát đĩa bị động : Ta có bán kính ngoài của tấm ma sát ly hợp được xác định : R2 = (2-2) Trong đó : : Hệ số ma sát trượt giữa các đôi bề mặt ma sát. Xe làm việc trong điều kiện không nặng nhọc lại có đặt tính động lực tốt nên chọn hệ số ma sát theo giới hạn nhỏ m = 0,25. zms : Số đôi bề mặt ma sát; ưu tiên chọn một đĩa bị động nên zms = 2 p : Áp suất pháp tuyến của các bề mặt ma sát. Để bảo đảm tuổi thọ cho các tấm ma sát, giá trị cho phép [p] = 1,4.105 ¸ 2,5.105 [N/m2]. Vì ly hợp có điều kiện làm việc nhẹ nên có thể chọn áp suất theo giới hạn trên p = 2,3.105 [N/m2]. KR : Hệ số tỷ lệ giữa bán kính trong và ngoài bề mặt ma sát, KR = . Vì xe có động cơ tốc độ trung bình và đặc tính động lực xe tốt (ít phải sang số) nên có thể chọn KR theo giới hạn nhỏ. Theo công thức kinh nghiệm thì KR=0,53– 0,75 KR = 0,55. Thế số vào ta tính được : R2 = = 0,116 [m] = 116 [mm]. So sánh bảng tra ta thấy bán kính R2 là chấp nhận được. Suy ra bán kính trong của tấm ma sát R1 : R1 = R2.KR (2-3) = 116.0,55 =63,8 [mm] Chọn R1= 64 [mm] 2.3.2 Diện tích và bán kính trung bình của hình vành khăn tấm ma sát : Diện tích hình vành khăn tấm ma sát S [m2] : S = p. (2-4) S = 3,1416. = 0,029[m2] Bán kính trung bình hình vành khăn của tấm ma sát Rtb [m]: Rtb = (2-5) Rtb = = 0,0913 [m] Chọn Rtb= 91 [mm] 2.3.3 Lực ép cần thiết F: Từ phương trình trên ta có thể xác định được lực ép cần thiết lên đĩa để truyền được mômen masát Mms [N] (2-6) Thay số vào ta có: 6726,88 [N] Vậy F= 6726,88 [N]. 2.3.4 Xác định công trượt sinh ra trong quá trình đóng ly hợp: 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 các bề mặt trựơt. 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. Vì vậy, việc xác định công trượt, công trượt riêng để hạn chế sự mòn, khống chế nhiệt độ cực đại nhằm bảo đảm tuổi thọ cho ly hợp là hết sức cần thiết. 2.3.4.1 Momen quán tính quy dẫn Ja (kg.m2) Bán kính thiết kế bánh xe Rbx = 0,33 (m) Tính tỷ số truyền của truyền lực chính i0: Trong đó: ihn: giá trị của tỷ số truyền cao nhất của hộp số, thường chọn ihn =1 : tốc độ góc lớn nhất của động cơ. Đối với động cơ xăng xe tải thì = (0,8-1,0) Chọn = 0,9 Với là tốc độ góc ứng với công suất cực đại của ĐC [rad/s] ωn = (π.n)/30 = 3,1416.5000/30 = 523,6 [rad/s] suy ra: ωemax= 0,9.523,6 = 471,24 [rad/s] Vamax = 130 [km/h] =36,11 [m/s] Là vận tốc tịnh tiến lớn nhất của xe. Thế số vào công thức trên ta tính được: i0 = 471,24.0,33/(1.36,11) = 4,307 Tính tỷ số truyền tay số 1: Theo điều kiện kéo: vậy ih1 = 4,018 Mô men quán tính khối lượng qui dẫn Ja được xác định từ điều kiện cân bằng động năng khi ôtô đang chuyển động theo (1-5a) như sau : (2-7) Trong đó : Ga : Trọng lượng toàn bộ của ôtô, Ga = 2500.9,81 = 24525[N]. Gm : Trọng lượng toàn bộ của rơ mooc hoặc đoàn xe kéo theo, Gm = 0[N]. g : Gia tốc trọng trường, g = 9,81 [m/s2]. rbx : Bán kính làm việc của bánh xe chủ động, rbx = 0,33 [m]. ih : Tỷ số truyền của hộp số. Tính công trượt cho số một, ih1= 4,018 ip : Tỷ số truyền số phụ. Không có hộp số phụ, ip = 1. io : Tỷ số truyền của truyền lực chính. io = 4,307 dt : Hệ số tính đến các khối lượng chuyển động quay trong hệ thống truyền lực; trong tính toán có thể lấy bằng dt = 1,05 ¸ 1,06. Chọn d = 1,05. = 0,955 (kg.m2) 2.3.4.2 Mô men cản chuyển động qui dẫn Ma [N.m]: Mô men cản chuyển động của xe qui dẫn về trục ly hợp được tính. (2-8) Trong đó : Hệ số cản tổng cộng của đường. Tính cho đường có y = 0,02 Pw : Lực cản của không khí. Khi khởi hành xe thì Pw = 0 (vì tốc độ quá nhỏ). it : Tỷ số truyền chung hệ thống truyền lực (it = ih1.ip.io). ht : Hiệu suất thuận của hệ thống truyền lực. Xe tải, chọn ht = 0,89. Thế số ta đựoc : = 10,514 (N.m) 2.3.4.3 Tính thời gian trượt ly hợp trong các giai đoạn (t1 và t2): Chúng ta có thể chọn một trong hai cách tính sau: Tính theo thời gian trượt tổng cộng của ly hợp t0 : Chọn thời gian đóng ly hợp êm dịu : t0 = 1,1 ¸ 2,5 [s] (chọn thời gian càng lớn, quá trình đóng ly hợp càng êm dịu nhưng công trượt sẽ tăng). Tính hệ số kết thúc trượt kđ (kđ >0) ly hợp từ phương trình : (2-9) Tính thời gian trượt t1, t2 : (2-10) Trong đó kđ là hệ số kết thúc trượt; xác định tỷ số của mômen ma sát hình thành so với mômen cực đại động cơ mà tại đó ly hợp bắt đầu hết trượt (kđ= Mms/Memax). Trong hệ ba phương trình trên kđ là ẩn số phụ của hệ phương trình. Sử dụng công cụ Solver của Microsoft Excel, cho trước giá trị kd = x > 0 bất kỳ. Tính t0 theo công thức trên. Thiết lập bài toán tối ưu theo mục tiêu t0 = 2,5 như đã chọn. Chỉ định biến thay đổi là ô (cell) giá trị x của kd đã cho. Thiết lập điều kiện cho bài toán với hai điều kiện : kd > 0 và kd £ b.1,5 (ở đây 1,5 là giá trị xét đến tải trọng động làm tăng hệ số dự trữ khi đóng ly hợp). Xác lập bài toán tối ưu với ô (cell) tính toán t0 làm ô mục tiêu (Set Target Cell) có giá trị đặt trước (Value of) cần phải đạt tới là 2,5. Ô giá trị cần phải thay đổi (By changing cells) để đạt mục tiêu là ô (cell) cho trước giá trị bất kỳ (kd = x = 1). Các điều kiện ràng buộc cho bài toán (Subject to the Constrains) là ô (cell) chứa giá trị kd phải thỏa mãn hai điều kiện: kd > 0 và kd £ 1,7.1,5 = 2,55 Kết quả tính tối ưu nhờ công cụ Solver ta có được hệ số kết thúc trượt ly hợp kd: kd = 1,4 Thế kd = 1,4 vào các công thức tính thời gian trượt t1, t2 ta có: Kiểm tra lại hệ số đặc trưng cho cường độ tăng momen k [N.m/s] K= Ma/t1 = 10,514/ 0,1= 105,14 [N.m/s] Như vậy đối với xe tải thì không phù hợp vì k= 150- 170 [N.m/s] Ta phải tính chọn lại t0 Chọn t0 = 1,99 [s] giải tương tự như trên ta được kd= 1,75 Thế vào lại ta tính được t2= 1,93 [s] và t1= 0,065 [s] 150 hợp lý Vậy ta chọn t0= 1,99 [s] là đúng 2.3.5 Tính công trượt tổng cộng của ly hợp: Công trượt tổng cộng của ly hợp L [J] dược xác định theo (2-11) Trong đó : t1, t2 : Thời gian trượt của ly hợp trong hai giai đoạn. Thế số các đại lượng đã biết vào ta tính được công trượt L [J]: L = = 51446,906 [J]. 2.3.6 Tính công trượt riêng cho ly hợp. Để đánh giá tuổi thọ của ly hợp theo điều kiện trượt, người ta dùng chỉ tiêu công trượt riêng; được xác định bằng công trượt trên một đơn vị diện tích làm việc của các bề mặt ma sát, kí hiệu lr [J/m2] : (2-12) Trong đó : L : Công trượt tổng cộng của ly hợp zms : Số đôi bề mặt ma sát, ly hợp một đĩa bị động nên zms = 2. R2, R1 : Bán kính tương ứng vòng ngoài, vòng trong của hình vành khăn bề mặt ma sát, Thế số ta có : = 786133,5[J/m2] = 786,1335 [KJ/m2]. Vậy, so với giá trị cho phép về công trượt riêng của xe tải (lr £ 800 [KJ/m2]) thi ly hợp thiết kế đạt yêu cầu về tuổi thọ cho ly hợp. 2.4 Kiểm tra theo nhiệt độ các chi tiết: 2.4.1 Nhiệt sinh ra do trượt ly hợp : Ngoài việc tính toán kiểm tra công trượt riêng, ly hợp còn cần phải tính toán kiểm tra nhiệt độ nung nóng các chi tiết của ly hợp trong quá trình trượt ly hợp để bảo đảm sự làm việc bình thường của ly hợp, không ảnh hưởng nhiều đến hệ số ma sát, không gây nên sự cháy các tấm ma sát hoặc ảnh hưởng đến sự đàn hồi của lò xo ép.v.v.. Với ly hợp một đĩa, nhiệt sinh ra làm nung nóng đĩa ép được xác định theo (1-6): n.L = m.c.DT (2-13) Trong đó : L : Công trượt của toàn bộ ly hợp, đã xác định [J]. : Hệ số xác định phần nhiệt để nung nóng đĩa ép. Với ly hợp một đĩa bị động thì n = 0,50. c : Nhiệt dung riêng của chi tiết bị nung nóng, với vật liệu bằng thép hoặc gang có thể lấy c = 481,5 [J/kg0K]. m : Khối lượng chi tiết bị nung nóng, [kg]. DT = 10oC : Độ tăng nhiệt độ của chi tiết bị nung nóng, [0C]. Độ tăng nhiệt độ cho phép của chi tiết tính toán đối với mỗi lần khởi hành của ôtô (ứng với hệ số cản của đường y = 0,02) nằm trong khoảng (10÷15)0C . Từ đó suy ra khối lượng đĩa ép tối thiểu phải là : m ³ ³ 5,3 [kg] 2.4.2 Bề dày tối thiểu đĩa ép (theo chế độ nhiệt): Bề dày tối thiểu đĩa ép d[m] được xác định theo khối lượng tính toán chế độ nhiệt (m) ở trên có thể được xác định theo công thức : d ³ Trong đó: : Khối lượng riêng của đĩa ép. Với vật liệu làm bằng gang r » 7800 [kg/m3] Thế số các đại lượng đã biết, ta xác định được bề dày tối thiểu của đĩa ép theo chế độ nhiệt do trượt: d ³ d ³ 0,023 [m] » 24 [mm]. 2.5 Tính toán sức bền một số chi tiết chủ yếu của ly hợp: Xác định các thông số cơ bản của cơ cấu ép: Cơ cấu ép được dùng để tạo lực ép cho đĩa ép của “ly hợp thường đóng” xe tải là lò xo đĩa kiểu đĩa côn nhờ nó có nhiều ưu điểm nổi bật hơn hẳn kiểu lò xo dây xoắn. Lò xo ly hợp được chế tạo bằng thép Silic 60C, 60C2A hoặc thép măng-gan 65 có ứng suất tiếp cho phép [t] = 650 ¸ 850 [MN/m2] và [s] =1000 [MN/m2]. Lò xo được tính toán nhằm xác định các thông số hình học cơ bản nhằm thỏa mãn lực ép F cần thiết cho ly hợp. Kích thước của lò xo đĩa côn còn phải bảo đảm điều kiện bền với chức năng là đòn mở. 2.5.1 Lực ép cần thiết của lò xo đĩa côn: Lực ép cần thiết của lò xo ép đĩa côn được xác định theo công thức: Flx = k0.F Trong đó : F : Lực ép cần thiết của ly hợp, [N]. F = 6726,88 [N] k0 : Hệ số tính đến sự giãn, sự nới lỏng lò xo. Chọn k0 = 1,05 (1,05 ¸1,08). Thế số ta có: Flx = 1,05. 6726,88 = 7063,22 [N] 2.5.2 Kích thước cơ bản của lò xo đĩa côn xẻ rãnh: Sơ đồ để tính toán lò xo đĩa côn có xẻ rãnh hướng tâm thể hiện trên hình. Lực nén do lò xo đĩa côn tạo ra Flx để ép lên đĩa ép nhằm tạo ra mô-men ma sát cho ly hợp được xác định theo các thông số của lò xo như sau: Fm a Da Flx h De Di B Da Hình 2.2.: Sơ đồ tính lò xo đĩa côn. (2-14) Trong đó : De : Đường kính lớn của lò xo đĩa côn ứng với vị trí tỳ lên đĩa ép, [m]. Chọn De =(0,94¸ 0,97).(2R2) Thế số : De = 0,95.2.0,116 » 0,2204 [m]. Sơ bộ chọn đường kính qua mép xẻ rảnh . Da = De / 1,2 (De / Da = 1,2 ¸ 1,5) » 0,1836[m] l : Độ dịch chuyển (biến dạng) cuả lò xo, [m]. E : Mô-duyn đàn hồi kéo nén. E = 2,1.1011 [N/m2]. mp : Hệ số poat-xông, đối với thép lò xo : mp = 0,26 dd : Độ dày của lò xo đĩa, [m]. Sơ bộ chọn: dd = De / 91 (De / dd = 75 ¸ 100). » 0,00242 [m] h : Độ cao phần không xẻ rãnh của đĩa côn ở trạng thái tự do, [m]. Sơ bộ chọn h = 1,611.dd ( h / dd = 1,5 ¸ 2,0). » 3,9 [mm]. k1, k2 : Các tỷ số kích thước của đĩa côn, được xác định bằng : (2-15) Các kích thước Da, dd, h sẽ được xác định chính xác sao cho khi lò xo đĩa côn được ép phẳng vào ly hợp (l = h/2) thì lực ép của lò xo Flx đạt bằng lực ép yêu cầu k0.F là : Flx = 7063,22 [N] Để thuận lợi cho tính toán, nên viết lại như sau: Tính toán trước các hằng số đặc trưng cho vật liệu và kết cấu A, B, C: Tính lại các thông số đã chọn: De = 0,95.2R2 = 0,2204 [m] δd = De/90 = 2,42.10-3 [m]; k1= 0,833 h= 1,61. δd= 3,9.10-3; k2= 0,9167 dùng công cụ solver như trên ta tính ra được λ = 0,00195 như vậy Da= 0,174 [m] = 174 [mm] δd= 2,42 [mm] h= 3,9 [mm] 2.5.3 Đặc tính của lò xo ép đĩa côn xẻ rảnh Cũng nhờ công cụ Solver, ta có diễn biến Flx = f(l) và đặc tính phi tuyến lò xo đĩa côn được thể hiện trên hình với kích thước cơ bản: Da » 184[mm]; dd = 2,42 [mm]; h = 3,9 [mm]. Đặc tính của lò xo đĩa côn xẻ rãnh theo λ được biểu diễn theo hàm sau: Ta có bảng đặc tính lò xo đĩa côn xẻ rãnh. l Flx 0.00025 2821.8 0.0005 4856.293 0.00075 6219.199 0.001 7026.236 0.00125 7393.123 0.0015 7435.579 0.00175 7269.323 0.001951 7063.217 0.002 7010.074 0.00225 6773.551 0.0025 6675.472 0.00275 6831.556 0.003 7357.523 0.00325 8369.091 0.0035 9981.979 0.00375 12311.91 0.004 15474.59 0.00425 19585.75 Đồ Thị: Hình 2.3: Đặc tính phi tuyến lò xo đĩa côn. 4.8.4 Kích thước đòn mở của lò xo ép đĩa côn xẻ rảnh: Kích thước đặc trưng cho đòn mở của lò xo đĩa côn Di cùng các thông số cơ bản xác định được theo yêu cầu đặc tính làm việc nêu trên phải thỏa mãn điều kiện bền bền khi mở ly hợp như sau : Trong đó : s : Ứng suất lớn nhất tại điểm nguy hiểm [N/m2] Di : Đường kính đỉnh của đĩa côn, [m]. Chọn Di = De / 2 = 0,1102 [m] (De/Di ³ 1,5) Fm : Lực tác dụng lên đỉnh nón khi mở ly hợp, xác định bằng : Thế số theo trình tự ngược ta có : So với ứng suất cho phép của vật liệu làm lò xo [s] =1000 [MN/m2] thì lò xo đĩa côn đã thiết kế hoàn toàn thỏa mãn điều kiện bền. 3.Tính toán thiết kế hệ dẫn động cho ly hợp. Đối với ly hợp thường đóng (dùng lò xo ép), muốn mở ly hợp người ta phải dùng hệ thống điều khiển để truyền lực đạp từ bàn đạp ly hợp đến đĩa ép nhằm thắng lực ép lò xo, tách đĩa ép khỏi đĩa ma sát bị động. Điều khiển ly hợp có thể là điều khiển cơ khí, điều khiển thủy lực. Điều khiển ly hợp có trợ lực (dẫn động cơ khí hoặc dầu) được áp dụng rộng rãi nhằm giảm lực điều khiển cho lái xe; nhất là xe tải và khách có tải trọng lớn. Việc trợ lực cho ly hợp có thể là khí nén, trợ lực chân không hoặc lò xo. 3.1.Xác định các thông số cơ bản của điều khiển thủy lực không có trợ lực: Hình 3.1: Sơ đồ tính toán ly hợp dẫn động thủy không có lực trợ lực Để mở ly hợp (ly hợp ôtô là kiểu thường đóng bởi lực ép lò xo) lái xe phải tác dụng lực vào bàn đạp ly hợp, thông qua hệ thống điều khiển (ngày nay thường dùng truyền động bằng thủy lực), lực sẽ được khuếch đại và truyền đến đĩa ép một lực ngược chiều với lực ép lò xo và có giá trị bằng lực nén lò xo khi mở ly hợp. Tỷ số khuếch đại (tỷ số truyền idk) của hệ thống điều khiển càng lớn, lực điều khiển từ bàn đạp càng nhỏ và giảm nhẹ được điều kiện làm việc cho lái xe. Tuy vậy, tỷ số truyền bị giới hạn bởi hành trình dịch chuyển của bàn đạp do tầm với chân lái xe có hạn. 3.2.Xác định hành trình của bàn đạp Sbd [mm]: (Các dịch chuyển trong hệ thống điều khiển ly hợp thường nhỏ hơn rất nhiều so với đơn vị đo một mét nên phần này có thể thống nhất dùng thứ nguyên của dịch chuyển là mm). Khi mở ly hợp, đĩa ép sẽ tách khỏi đĩa bị động với khe hở tối thiểu giữa các đôi bề mặt ma sát dm nhằm bảo đảm cho đĩa ma sát bị động ly hợp tách hoàn toàn khỏi đĩa ép cũng như bánh đà động cơ. Sơ đồ tính toán hệ thống điều khiển ly hợp (thường dùng truyền động thủy lực) không có trợ lực có thể tham khảo thêm giáo trình. Thực tế, trước khi tách đĩa ép khỏi đĩa ma sát bị động, bàn đạp có khoảng chạy không tải để khắc phục tất cả các khe hở có thể có trong hệ thống điều khiển (khoảng chạy không này gọi là hành trình tự do). Quan hệ giữa các khe hở với độ dịch chuyển của bàn đạp Sbd [mm] (còn gọi là hành trình bàn đạp) khi ly hợp mở được xác định theo các tỷ số truyền của hệ thống điều khiển được xác định như sau : (3-1) Trong đú : dm : Khe hở giữa mỗi đôi bề mặt ma sỏt khi mở ly hợp [mm]. zms = 2 và dm = 0,75 [mm] ddh : Độ dịch chuyển cần thiết của đĩa ép do độ đàn hồi của đĩa bị động. ddh = 1 [mm]. d0 : Khe hở tự do cần thiết giữa đòn mở và bạc mở, [mm]. Đối với xe tải nhỏ: d0 » 2 ¸3 [mm]. Chọn d0 = 2[mm]. d01 : Khe hở tự do cần thiết giữa bàn đạp và hệ thống dẫn động, [mm]. Chọn d01 » 0,5 [mm]. (0,5 ¸1) d02 : Khoảng cách mở lỗ thông bù dầu trong xylanh chính, [mm]. Chọn d02 » 2 [mm] (thường d02 » 1,5 ¸2 [mm]). : Tỷ số truyền của bàn đạp, ký hiệu ibd : Tỷ số truyền của dẫn động trung gian, ký hiệu itg. Chọn itg = 1 (thường itg » 0,9 ¸1,1) : Tỷ số truyền của càng đẩy bạc mở, ký hiệu icm. Chọn icm = 2 (thường icm » 1,4 ¸2,2) idk : Tỷ số truyền chung của toàn bộ hệ thống điều khiển; bằng tích các tỷ số truyền thành phần tham gia trong hệ thống điều khiển. Với idm là tỷ số truyền của đòn mở. Với ly hợp kiểu lò xo một đĩa nón cụt thường idm được xác định từ kích thước của đĩa ép, từ trên ta có: idm= 5 Ta suy ra; hành trình tính toán được phải nằm trong giới hạn tầm với (tầm duỗi chân) của người lái xe, với xe tải cở nhỏ: [Sbd] » 150 ¸ 180 [mm]. Thế số, ta tính được tỷ số truyền của bàn đạp để Sbd Î [Sbd] như sau: = 5,67 3.3. Xác định lực tác dụng lên bàn đạp Fbd [N]: Lực cần thiết phải tạo ra ở bàn đạp khi mở ly hợp, ký hiệu Fbd [N], được xác định : (2-17) Trong đó : Fmmax(*): Lực lớn nhất tác dụng lên đỉnh lò xo ép đĩa nón khi mở ly hợp. Fmmax(*)= Fm = 1412,57 [N]. idk(*) : Tỷ số truyền của hệ thống điều khiển, chỉ tính đến đỉnh nón. idk(*) = ibd.itg.icm idk(*) = 5,67.1.2 = 11,3 hdk : Hiệu suất của hệ thống điều khiển. Chọn hdk » 0,90 (hdk » 0,85 ¸ 0,90) Thế số ta có : Fbd ³ »138,6 [N] Lực này nhỏ hơn lực [Fbđ]=150N của xe tải cở nhỏ, vì vậy ta không dùng trợ lực. 3.4. Đường kính xi lanh thủy lực: Ở đây: pmax - Áp suất cực đại cho phép của chất lỏng trong dòng dẫn động, áp suất này càng cao thì kết cấu dẫn động càng gọn, nhưng yêu cầu đối với các ống dẫn và vấn đề làm kín lại khắt khe hơn, nhất là các đoạn ống mềm bằng cao su và các chỗ nối ghép. Thường chọn pmax = 8÷12 MPa (MN/m2). Chọn đường kính xi lanh thủy lực ddk = 20 [mm] 3.5 Xác định các kích thước còn lại Bàn đạp: ibđ= a/b = 5,67. Chọn a= 232 [mm], b= 41 [mm] Bạc mở: icm= e/f = 2. Chọn e= 160 [mm], f= 80 [mm] 4. KẾT LUẬN Tài liỆU tham khẢO [1]. LÝ THUYẾT Ô TÔ MÁY KÉO (NGUYỄN HỮU CẨN (cb), NXB KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT) [2]. THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN Ô TÔ MÁY KÉO (NGUYỄN HỮU CẨN, PHAN ĐÌNH KIÊN, NXB ĐẠI HỌC VÀ TRUNG HỌC CHUYÊN NGHIỆP) [3]. KẾT CẤU VÀ TÍNH TOÁN Ô TÔ (TS. LÊ VĂN TỤY, ĐH BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG) [4]. HƯỚNG DẪN THIẾT KẾ Ô TÔ (TS. LÊ VĂN TỤY, ĐH BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG) [5]. Các website tham khẢo