Kết cấu và tính toán ô tô-Ly hợp ô tô

g truyền lực khi quá tải. Nếu khớp nối ly hợp không ngắt đ−ợc 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. Để thấy rõ hơn ảnh h−ởng và tác dụng của ly hợp đến việc gài số cũng nh− ảnh h−ởng của nó đến hệ thống truyền lực khi phanh ôtô đột ngột, ta hãy xét các quá trình gài số, quá trình phanh ôtô mà không mở ly hợp. a) Đối với quá trình gài số : Có thể mô tả quá trình gài số bằng mô hình nh− sau: Hình H2-1 : Sơ đồ mô hình hoá quá trình gài số Chú thích : ωe : Tốc độ góc trục khuỷu động cơ, [rad/s]; Je Jlh Ja ωe ωb ωa 1 3 2 4 Kết cấu và tính toán ôtô: (Phần truyền lực trên ôtô) - Ngành Công nghệ Ôtô GVC. Ths. Lê Văn Tụy - Khoa Cơ khí Giao thông - Tr−ờng Đại học Bách khoa - ĐHĐN 2 ωb : Tốc độ góc trục ly hợp, [rad/s]; ωa : Tốc độ góc trục thứ cấp hộp số, [rad/s]; Je : Mô men quán tính khối l−ợng của bánh đà và các chi tiết chuyển động trong động cơ (cả phần chủ động của ly hợp gắn trên bánh đà) qui dẫn về trục bánh đà, thứ nguyên tính bằng [kg.m2]; Jlh : Mô men quán tính khối l−ợng của phần bị động ly hợp và các chi tiết quay trong hộp số (có liên quan động học với trục ly hợp) qui dẫn về trục ly hợp, [kg.m2]; Ja : Mô men quán tính khối l−ợng t−ơng đ−ơng; xét đến các khối l−ợng chuyển động quay trong hệ thống truyền lực (tính từ bánh răng số (4) đến bánh xe chủ động) và khối l−ợng chuyển động tịnh tiến của xe qui dẫn về trục thứ cấp hộp số [kg.m2]; Mô men quán tính t−ơng đ−ơng Ja có thể đ−ợc xác định từ ph−ơng trình cân bằng động năng nh− sau : δυω 22 22 g GJ aa = (2-1) Thay υ = (ωa.ip.io).rbx (2-2) Suy ra : 2 ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛= op bx a ii r g GJ (2-3) Trong đó : G : Trọng l−ợng toàn bộ xe, [N]; g : Gia tốc trọng tr−ờng, g = 9,81 [m/s2]; υ : Vận tốc chuyển động tịnh tiến của xe, [m/s]; rbx : Bán kính lăn của bánh xe, [m]; ip, io : Tỷ số truyền t−ơng ứng của hộp số phụ, truyền lực chính; δ : Hệ số xét đến các khối l−ợng chuyển động quay trong hệ thống truyền lực; tính từ bánh răng số (4) đến bánh xe chủ động. Giả thiết việc gài số là trực tiếp (không có đồng tốc) và không ngắt ly hợp : bánh răng (4) vào ăn khớp với bánh răng (3), bỏ qua mô men xoắn động cơ và mô men cản chuyển động của đ−ờng (vì mô men xung kích trong tr−ờng hợp này là rất lớn so với Kết cấu và tính toán ôtô: (Phần truyền lực trên ôtô) - Ngành Công nghệ Ôtô GVC. Ths. Lê Văn Tụy - Khoa Cơ khí Giao thông - Tr−ờng Đại học Bách khoa - ĐHĐN 3 chúng). áp dụng ph−ơng trình mô men xung l−ợng trong thời gian t[s] đối với chuyển động của hệ trục về phía bánh răng (4) : P4.r4.t = Ja.( ωa' - ωa) (2-4) Trong đó : P4 : Lực tác dụng lên răng bánh răng (4) trong thời gian gài số t, [N]; r4 : Bán kính vòng lăn của bánh răng (4), [m]; ωa : Tốc độ góc của trục thứ cấp hộp số tr−ớc khi gài số, [rad/s]; ωa' : Tốc độ góc của trục thứ cấp hộp số sau khi gài số, [rad/s]; T−ơng tự, ta có ph−ơng trình mô men xung l−ợng trong thời gian t[s] đối với chuyển động của hệ trục về phía bánh răng (3) : P3.r3.t = ( ) ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −+ 34' 12 2 12 ..).( ii iJJ ablhe ωω (2-5) Trong đó : P3 : Lực tác dụng lên răng bánh răng (3) trong thời gian gài số t, [N]; r3 : Bán kính vòng lăn của bánh răng (3), [m]; ωb : Tốc độ góc của trục ly hợp tr−ớc khi gài số, [rad/s]; i12 : Tỷ số truyền của cặp bánh răng (1) và (2) : i12 = r2/r1; i34 : Tỷ số truyền của cặp bánh răng (3) và (4) : i34 = r4/r3; Vì P3 = P4, nên từ hai ph−ơng trình (2-4) và (2-5) ta rút ra đ−ợc tốc độ góc của trục thứ cấp sau khi gài số ωa'. Thế trở lại vào ph−ơng trình (2-4) ta có mô men xung l−ơng tác dụng lên bánh răng (4) trong thời gian t là : ahlhe habhlhea JiJJ iiJJJ trP ++ −+= 244 ).( )..()..( .. ωω (2-6) Trong đó ih chính là tỷ số truyền của hộp số (ih = i12.i34) Cũng bằng lý luận t−ơng tự, ta xác định đ−ợc mô men xung l−ợng tác dụng lên bánh răng (4) trong thời gian t khi ngắt ly hợp. Lúc này mô men quán tính Je không còn tham gia trong các biểu thức (2-5) và (2-6); nghĩa là : Kết cấu và tính toán ôtô: (Phần truyền lực trên ôtô) - Ngành Công nghệ Ôtô GVC. Ths. Lê Văn Tụy - Khoa Cơ khí Giao thông - Tr−ờng Đại học Bách khoa - ĐHĐN 4 ahlh habhlha JiJ iiJJ trP + −= 24'4 . )..(.. .. ωω (2-7) So sánh (2-7) với (2-6), ta có : ( ) ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ++ ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ +⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ + = e lh ahlh e a h e lh lh J JJiJ J Ji J JJ P P 1.. .1 2 2 4 ' 4 (2-8) Nếu Jlh << Je thì (2-8) có thể viết gần đúng lại nh− sau : ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ + ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ + = lh a h e a h J Ji J J i P P 2 2 4 ' 4 (2-9) Vì Jlh << Je, nên ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ +<<⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ + lh a h e a h J J i J J i 22 . Nghĩa là P4' rất nhỏ so với P4; hay nói cách khác, lực tác dụng lên răng của bánh răng gài số sẽ giảm đi rất nhiều lần khi ngắt ly hợp trong quá trình gài số. Nhờ vậy mà tránh đ−ợc sự va đập lớn gây dập hoặc gãy vở răng hộp số khi gài số; cho phép nâng cao tuổi thọ của các bánh răng gài số. Chẳng hạn, với số liệu : tỷ số truyền của hộp số ih = 1,84; Je = 1,5 [kg.m 2]; Ja = 10[kg.m2]; Jlh = 0,02 [kg.m 2] thì 02,0 4 ' 4 = P P ; nghĩa là lực tác dụng lên răng của bánh răng khi gài số có ngắt ly hợp giảm đ−ợc 50 lần. Từ ph−ơng trình (2-7) ta cũng thấy rằng : dù có ngắt ly hợp khi gài số, vẫn tồn tại xung lực do sự chênh lệch tốc độ góc giữa hai số truyền (ωb - ωa.ih). Xung lực này vẫn phụ thuộc vào mô men quán tính của ly hợp (Jlh). Vì vậy để tránh sự va đạp các răng khi gài số, tr−ớc hết cần phải làm đồng đều tốc độ góc tr−ớc khi gài số. Muốn thế, trong hộp số cần phải đặt bộ đồng tốc. Tuy nhiên việc làm đồng đều tốc độ khi có bộ đồng tốc vẫn phải phụ thuộc vào mô men quán tính Jlh và sự mở ly hợp có dứt khoát hay không. Hay nói cách khác, để làm đồng đều nhanh chóng tốc độ góc giữa các số truyền khi gài số, yêu cầu ly hợp phải bảo đảm hai yêu tố sau : Kết cấu và tính toán ôtô: (Phần truyền lực trên ôtô) - Ngành Công nghệ Ôtô GVC. Ths. Lê Văn Tụy - Khoa Cơ khí Giao thông - Tr−ờng Đại học Bách khoa - ĐHĐN 5 • Thành phần mô men quán tính của hệ trục ly hợp (Jlh) phải nhỏ đến mức thấp nhất có thể để rút ngắn thời gian làm đồng đều tốc độ của bộ đồng tốc. • Việc mở ly hợp phải đ−ợc tiến hành dứt khoát; nghĩa là phần bị động ly hợp phải tách hoàn toàn khỏi phần chủ động. Nh− vậy mô men quán tính qui dẫn của trục khuỷu (Je) cũng nh− mô men xoắn của động cơ (Me) trở nên triệt tiêu khỏi hệ trục của ly hợp khi gài số. b) Đối với quá trình phanh xe : Chúng ta có thể mô hình hoá hệ thống truyền lực trong quá trình phanh ôtô bằng sơ đồ sau : Hình H2-2 : Sơ đồ mô hình hệ thống truyền lực khi phanh Chú thích : 1 : Bánh đà động cơ; 2: Ly hợp; 3 : Hộp số; 4: Truyền động các đăng; 5 : Truyền lực chính và vi sai; 6: Cơ cấu phanh bánh xe; ωe: Tốc độ góc trục khuỷu động cơ, [rad/s]; ωb: Tốc độ góc trục bánh xe, [rad/s]; Khi phanh xe bằng cơ cấu phanh bánh xe (6), xe sẽ chuyển động chậm dần với gia tốc tịnh tiến chậm dần là jp = dt dυ (υ là tốc độ tịnh tiến của xe trong quá trình phanh, tính bằng [m/s]) và các chi tiết quay trong hệ thống truyền lực cũng quay chậm dần. Nếu ly hợp đang đóng thì trục khuỷu động cơ cũng quay chậm dần với gia tốc góc là : dt d r ii dt dii dt d bx oh b oh e e υωωε 1=== (2-10) ωe 5 3Je 1 ωe 2 4 6 Kết cấu và tính toán ôtô: (Phần truyền lực trên ôtô) - Ngành Công nghệ Ôtô GVC. Ths. Lê Văn Tụy - Khoa Cơ khí Giao thông - Tr−ờng Đại học Bách khoa - ĐHĐN 6 ở đây : ip : Tỷ số truyền của hộp số; io : Tỷ số truyền của truyền lực chính; rbx : Bán kính lăn bánh xe chủ động, [m]; Các thông số khác đã chú thích ở trên. Vì vậy xuất hiện mô men lực quán tính (tính bằng[Nm]) của bánh đà bằng: Mj = Jeεe = Je. dt d r ii bx oh υ1 (2-11) Mô men này sẽ truyền qua ly hợp để tác dụng lên hệ thống truyền lực . Giá trị lớn nhất của chúng đạt đ−ợc khi gia tốc phanh jp đạt giá trị cực đại Jmax. Theo lý thuyết ôtô : δ ϕυ g dt dJ . max max =⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛= (2-12) Trong đó : ϕ : Hệ số bám giữa lốp với mặt đ−ờng khi phanh; δ : Hệ số xét đến ảnh h−ởng của các khối l−ợng quay trong hệ thống truyền lực; có thể tính gần đúng bằng : δ = 1+(0,04ữ0,06). 2hi ; với ih là tỷ số truyền của hộp số. g : Gia tốc trọng tr−ờng, g = 9,81 [m/s2]; Khi đó mô men lực quán tính cực đại có thể truyền qua ly hợp là : Mjmax = δ ϕ g r iiJ bx ohe .1 (2-14) Thực nghiệm chứng tỏ rằng Mjmax có giá trị lớn hơn mô men xoắn cực đại của động cơ rất nhiều lần và có thể ảnh h−ởng xấu đến hệ thống truyền lực. Tuy vậy, ly hợp chỉ cho truyền qua nó một giá trị mô men nhỏ hơn hoặc bằng chính momen ma sát của ly hợp; ng−ợc lại, ly hợp sẽ tr−ợt. Điều đod có nghĩa là ly hợp còn có tác dụng nh− một cơ cấu an toàn, bảo vệ cho hệ thống truyền lực không bị quá tải khi phanh đột ngột mà không kịp mở ly hợp. Kết cấu và tính toán ôtô: (Phần truyền lực trên ôtô) - Ngành Công nghệ Ôtô GVC. Ths. Lê Văn Tụy - Khoa Cơ khí Giao thông - Tr−ờng Đại học Bách khoa - ĐHĐN 7 1.2 Yêu cầu đối với ly hợp : Từ các công dụng và các tác dụng của ly hợp nh− đã nêu trên, ly hợp ô tô máy kéo ngoài các yêu cầu chung về sức bền, tuổi thọ; còn phải bảo đảm các yêu cầu chính sau : c Ly hợp phải truyền đ−ợc 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 đ−ợc lớn quá nhằm bảo đảm đ−ợc nhiệm vụ làm cơ cấu an toàn cho hệ thống truyền lực. d 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; ng−ợc lại sẽ gây khó khăn cho việc gài số. e Khi đóng ly hợp, yêu cầu phải êm dịu. Tức là, mô men ma sát hình thành ở ly hợp phải tăng từ từ khi đóng ly hợp; có vậy mới tránh đ−ợc hiện t−ợng giật xe và gây dập răng của các bánh răng trong hộp số cũng nh− các cơ cấu truyền động khác trong hệ thống truyền lực. f Mô men quán tính của các chi tiết phần bị động ly hợp phải nhỏ đến mức thấp nhất có thể nhằm giảm các lực va đạp lên bánh răng gài số (tr−ờng hợp không có bộ đồng tốc), giảm nhẹ điều kiện làm việc của bộ đồng tốc cũng nh− tăng nhanh thời gian gài số. g Kết cấu phải gọn nhẹ, điều khiển dễ dàng và nhẹ nhàng. 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, ng−ời ta phân ra các loại ly hợp ma sát cơ khí, ly hợp thủy lực, ly hợp điện từ. + Dựa theo hình dạng của bộ phận ma sát cơ khí, có thể chia ra : Ly hợp ma sát đĩa (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 : loại th−ờng đóng và không th−ờng đóng Kết cấu và tính toán ôtô: (Phần truyền lực trên ôtô) - Ngành Công nghệ Ôtô GVC. Ths. Lê Văn Tụy - Khoa Cơ khí Giao thông - Tr−ờng Đại học Bách khoa - ĐHĐN 8 2. Phân tích đặc điểm kết cấu và xác định các thông số cơ bản của ly hợp : 2.1 Phân tích đặc điểm kết cấu các loại ly hợp: 2.1.1 Ly hợp ma sát cơ khí : Đây 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 đ−ợc sử dụng phổ biến trên hầu hết các ôtô nhờ kết cấu đơn giản, dễ bảo d−ỡng sữa chữa thay thế (hình H2-3). 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 (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). Ly hợp ma sát đĩa có dạng hình côn và hình trống ngày nay không dùng nữa vì mô men quán tính của phần bị động khá lớn, ảnh h−ởng không tốt đến việc gài số. Ly hợp ma sát đĩa phẳng dùng phổ biến. Tuỳ theo cấu tạo có thể có kiểu một đĩa, kiểu hai đĩa hoặc có thể nhiều đĩa. Ly hợp ma sát một đĩa bị động đ−ợc sử dụng phổ biến ở hầu hết 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 H2-3) ít ảnh h−ởng đến việc gài số. Các vành ma sát của đĩa bị động đ−ợc gắn lên x−ơng đĩa bị động (1) bằng ph−ơng pháp dán hoặc đinh tán. Đĩa bị động đ−ợc nối với trục ly hợp thông qua một may-ơ (6) di tr−ợt đ−ợc trên trục nhờ mối ghép then hoa. May -ơ đ−ợc liên kết 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Hình H2-3: Kết cấu đĩa bị động Kết cấu và tính toán ôtô: (Phần truyền lực trên ôtô) - Ngành Công nghệ Ôtô GVC. Ths. Lê Văn Tụy - Khoa Cơ khí Giao thông - Tr−ờng Đại học Bách khoa - ĐHĐN 9 mềm với x−ơng đĩa bị động thông qua các lò xo đàn hồi (3) bố trí tiếp tuyến quanh may- ơ (hình H2-3). Nhờ sự đàn hồi của các lò xo này mà độ cứng chung của hệ thống truyền lực giảm tránh đ−ợc sự cộng h−ởng ở vùng làm việc th−ờng xuyên với tần số cao của động cơ. Tuy nhiên do giới hạn bởi độ cứng tối thiểu của lò xo nên hệ thống truyền lực không thể tránh khỏi sự dao động cộng h−ởng ở tần số thấp. Bởi vậy cần phải có các vành ma sát (5) hoặc (9) để tiêu hao năng l−ợng dao động cộng h−ởng ở tần số thấp. Tổ hợp các lò xo đàn hồi (3) cùng các vành ma sát gọi chung là bộ giảm chấn. Khi có bộ giảm chấn, thì khối l−ợng và do đó mô men quán tính của cụm đĩa bị động tăng lên, ảnh h−ởng không tốt đến quá trình gài số cho hộp số. Do vậy đĩa bị động có thể có hoặc không có bộ giảm chấn. Kiểu ly hợp ma sát hai đĩa chỉ đ−ợc dùng trên xe tải lớn (vì cần truyền mô men quay lớn). Nh−ợc 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 đ−ợc tiến hành từ từ hơn). Hình H2-4 : Ly hợp ma sát hai đĩa bị động. Kết cấu và tính toán ôtô: (Phần truyền lực trên ôtô) - Ngành Công nghệ Ôtô GVC. Ths. Lê Văn Tụy - Khoa Cơ khí Giao thông - Tr−ờng Đại học Bách khoa - ĐHĐN 10 ) 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 (xem các hình H2-3 và H2-4) : 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 đ−ợc). Nh−ợc điểm là áp lực sinh ra ở các bề mặt ma sát dễ không đều. Loại này đ−ợc 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 nón cụt (xem hình H2-5) chỉ có một lò xo kiểu đĩa nón cụt bố trí ở giữa nên áp lực phân bố đều lên bề mặt ma sát. Ly hợp với lò xo kiểu này có nhiều −u điểm nổi bậc: Lò xo làm luôn nhiệm vụ đòn mở nên kết cấu rất gọn nhẹ. Đặc tính của là xo là phi tuyến (xem hình H2-6) nên lực để mở ly hợp hầu nh− không tăng thêm nh− loại lò xo hình trụ; vì vậy điều khiển nhẹ nhàng hơn. Nh−ợc 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 du lịch và khách cở nhỏ có đặc tính động lực tốt, sử dụng trong điều kiện đ−ờng tốt (ít phải sang số). Hình H2-5 : Ly hợp ma sát kiểu lò xo ép đĩa côn. Kết cấu và tính toán ôtô: (Phần truyền lực trên ôtô) - Ngành Công nghệ Ôtô GVC. Ths. Lê Văn Tụy - Khoa Cơ khí Giao thông - Tr−ờng Đại học Bách khoa - ĐHĐN 11 Đặc tính lò xo đĩa nón cụt thiết kế. 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 0.0000 0.0005 0.0010 0.0015 0.0020 0.0025 0.0030 0.0035 0.0040 λ [m] Flx [N] Hình H2-6 : Đặc tính phi tuyến của lò xo ép đĩa côn. ) Theo đặc điểm làm việc, có thể chia ra : Loại ly hợp th−ờng đóng và ly hợp không th−ờng đóng. + Ly hợp th−ờng đóng là loại ly hợp kiểu lò xo ép th−ờng xuyên đóng trong quá trình làm việc nh− các loại đã nêu ra ở trên. Ly hợp chỉ đ−ợc mở thông qua hệ thống dẫn động d−ới tác dụng của lực đạp ở bàn đạp ly hợp. + Ly hợp không th−ờng đóng là loại ly hợp không có lò xo ép. Đĩa bi động và chủ động đ−ợc ép vào nhau thông qua một hệ thống đòn đặc biệt. Việc đóng hoặc mở ly hợp đều phải thông qua hệ thông đòn này d−ới tác động lực điều khiển của ng−ời lái. Đối với máy kéo xích trong nông nghiệp hoặc các máy kéo xích chuyên dùng trong ngành xây dựng, chúng th−ờng có hệ thống điều khiển riêng biệt nhờ các ly hợp chuyển h−ớng và phanh. Mặc khác, trong quá trình làm việc, chúng không những làm việc nhiều với các số tiến mà cả với số lùi thậm chí cả số “Mo” nh− 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 th−ờng đóng có mô men quán tính của phần bị động ly hợp Kết cấu và tính toán ôtô: (Phần truyền lực trên ôtô) - Ngành Công nghệ Ôtô GVC. Ths. Lê Văn Tụy - Khoa Cơ khí Giao thông - Tr−ờng Đại học Bách khoa - ĐHĐN 12 khá lớn nên th−ờng phải có phanh con riêng để hãm trục ly hợp tr−ớc khi gài số nhằm tránh sự va đập răng của các bánh răng gài số. 2.1.2 Ly hợp ma sát thuỷ lực : Đây là loại ly hợp mà mô men ma sát hình thành ở ly hợp nhờ ma sát thủy lực. −u điểm nổi bậc của ly hợp thủy lực là ly hợp làm việc rất êm dịu (nhờ tính chất dễ tr−ợt của chất lỏng) vì vậy giảm tải trọng động cho hệ thống truyền lực cũng nh− cho động cơ. Tuy vậy ly hợp thủy lực lại mở không dứt khoát vì luôn có mô men d− (dù số vòng quay của động cơ rất thấp) làm ảnh h−ởng đến việc gài số. Vì vậy ly hợp thủy lực th−ờng đ−ợc dùng kết hợp với một ly hợp ma sát cơ khí để cho phép ngắt hoàn toàn ly hợp khi gài số. Ngoài ra ly hợp thuỷ lực luôn luôn có sự tr−ợt (ít nhất 2ữ3%) do vậy gây ra 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 đối với các mối ghép, yêu cầu có loại dầu đặc biệt (dầu có độ nhờn và nhiệt độ đông đặc thấp, không sủi bọt .v.v. ) nên giá thành ly hợp nói riêng và giá thành ôtô nói chung cao hơn ly hợp ma sát cơ khí thông th−ờng. Do đó, ly hợp loại này chỉ sử dụng hạn chế trên các loại xe đặc biệt có công suất riêng lớn. 2.1.3 Ly hợp điện từ : Đây là loại ly hợp mà mô men hình thành ở ly hợp nhờ mô men điện từ. Ly hợp điện từ truyền động êm dịu. Tuy vậy kết cấu kồng kềnh và trọng l−ợng trên đơn vị công suất truyền là lớn nên ít dùng trên ôtô mà th−ờng đ−ợc sử dụng trên tàu hoả hoặc xe máy công trình cỡ lớn. Kết cấu và tính toán ôtô: (Phần truyền lực trên ôtô) - Ngành Công nghệ Ôtô GVC. Ths. Lê Văn Tụy - Khoa Cơ khí Giao thông - Tr−ờng Đại học Bách khoa - ĐHĐN 13 2.2 Xác định các thông số cơ bản của ly hợp : Việc xác định các thông số cơ bản của ly hợp chính là xác định số l−ợng và kích th−ớc bề mặt ma sát nhằm bảo đảm yêu cầu truyền hết mô men quay của động cơ trong mọi điều kiện làm việc. 2.2.1 Mô men ma sát yêu cầu của ly hợp : Để bảo đảm yêu cầu truyền hết mô men quay của động cơ trong mọi điều kiện làm việc, thì ly hợp phải có khả năng truyền đ−ợc mô men quay lớn hơn mô men xoắn lớn nhất của động cơ Memax. Nghĩa là ta phải có : Mms = Memax.β (2-15) Trong đó : Mms : Mô men ma sát cần thiết ly hợp, [N.m]; Mmax : Mô men xoắn lớn nhất của động cơ, [N.m]. Đối với máy kéo mô men này lấy bằng mô men danh nghĩa Mn của động cơ; β : Hệ số dự trữ của ly hợp. Hệ số dự trữ ly hợp β phải đủ lớn (β>1) để bảo đảm cho ly hợp truyền hết mô men xoắn động cơ trong mọi điều kiện làm việc của nó (khi các bề mặt ma sát bị dầu mở rơi vào, khi các lò xo ép bị giảm tính đàn hồi, khi các tấm ma sát bị mòn.v.v..). Tuy nhiên hệ số β cũng không đ−ợc lớn quá, vì nh− thế ly hợp không làm tốt chức năng bảo vệ an toàn cho hệ thống truyền lực khi quá tải. Hệ số β th−ờng đ−ợc xác định bằng thực nghiệm; có tính đến các yếu tố nh− đã nêu cũng nh− có xét đến điều kiện làm việc nặng nhọc của xe. Giá trị của β có thể tham khảo theo số liệu ở bảng B2-1 nh− sau : Bảng B2-1 : Số liệu hệ số dự trữ thực nghiệm β Loại xe Trị số β Xe du lịch 1,35 ữ 1,75 Xe tải, khách, máy kéo vận tải (không kéo mooc) 1,60 ữ 2,25 Kết cấu và tính toán ôtô: (Phần truyền lực trên ôtô) - Ngành Công nghệ Ôtô GVC. Ths. Lê Văn Tụy - Khoa Cơ khí Giao thông - Tr−ờng Đại học Bách khoa - ĐHĐN 14 Ô tô tải có mooc (hoặc tính năng thông qua cao) 1,80 ữ 3,00 Máy kéo nông nghiệp kiểu ly hợp th−ờng đóng 2,00 ữ 2,50 Chú ý : Giá trị về phía giới hạn lớn đ−ợc chọn cho xe làm việc trong điều kiện nặng nhọc (nh− tải trọng lớn, xe hoạt động trong nhiều loại đ−ờng, hoặc kiểu ly hợp không điều chỉnh đ−ợc). Nh− vậy, căn cứ vào chủng loại xe và điều kiện làm việc th−ờng xuyên của nó mà ta chọn hệ số β thích hợp; từ đó xác định đ−ợc mô men ma sát cần thiết của ly hợp theo công thức (2-15). Thực tế, để tạo ra mô men ma sát này, ly hợp phải nhờ một cơ cấu ép; với ly hợp th−ờng đóng thì đó là lò xo ép, còn với ly hợp không th−ờng đóng, phải thông qua một hệ thống đòn đặc biệt nh− đã chỉ ra trên hình H2-7. Nếu gọi lực ép tổng cộng do cơ cấu ép tạo ra là P [N], đặt tại bán kính trung bình Rtb [m] của đĩa ép, thì mô men ma sát của ly hợp Mms [N.m] do cơ cấu ép tạo ra là : Mms = à.P.Rtb.zms (2-16) Trong đó : à : Hệ số ma sát tr−ợt giữa tấm ma sát và đĩa ép hoặc bánh đà; zms : Số đôi bề mặt ma sát; phụ thuộc vào số đĩa bị động của ly hợp: + Ly hợp một đĩa bị động : zms = 2 + Ly hợp hai đĩa bị động : zms = 4 Mặc khác, nếu gọi p [N/m2] là áp suất pháp tuyến sinh ra ở các đôi bề mặt ma sát d−ới tác dụng lực ép P, và với giả thiết áp suất p là phân bố đều trên toàn bộ bề mặt ma sát (p = const) thì ta lại có : Mms = ( )31322 322 2 1 RRpzdRRpz ms R R ms −=∫ πàπà (2-16') Từ (2-16) và (2-16') ta suy ra bán kính trung bình Rtb : Rtb = 2 1 2 2 3 1 3 2 3 2 RR RR − − (2-17) Kết cấu và tính toán ôtô: (Phần truyền lực trên ôtô) - Ngành Công nghệ Ôtô GVC. Ths. Lê Văn Tụy - Khoa Cơ khí Giao thông - Tr−ờng Đại học Bách khoa - ĐHĐN 15 ở đây : R1,R2 là bán kính trong và bán kính ngoài bề mặt ma sát [m]; Nh− vậy, nếu kích th−ớc của bề mặt ma sát đã xác định, từ (2-15,16 và 17) ta suy ra lực ép cần thiết P [N] mà cơ cấu ép phải tạo ra để bảo đảm cho ly hợp có đ−ợc mô men ma sát cần thiết theo (2-15) là : F = mstb e zR M . . max à β (2-18) Khi đó, áp suất làm việc trung bình của các bề mặt ma sát p [N/m2] là : )RR( Fp 2 1 2 2 −π = (2-18') Vậy, để cho áp suất làm việc không v−ợt quá giới hạn cho phép, với ly hợp một đĩa (zms = 2) thì lực ép F và do đó kích th−ớc của đĩa ép (R2) phải tăng khi mô men xoắn của động cơ tăng. 2.2.2 Bán kính bề mặt ma sát của ly hợp : Các bán kính trong R1 và bán kính ngoài R2 của bề mặt ma sát ly hợp đ−ợc xác định tr−ớc hết bảo đảm sao cho áp suất làm việc của các bề mặt ma sát (nh− đã nêu ra ở trên) không v−ợt quá giới hạn cho phép. Từ (2-15) và (2-17) suy ra : R2 = ( )3 3Rms maxe k1.p...z.2 M..3 −πà β (2-19) Trong đó : p : áp suất làm việc cho phép của các bề mặt ma sát, [N/m2]; kR : Hệ số tỷ lệ giữa bán kính trong và ngoài bề mặt ma sát, kR = 2 1 R R ; Bán kính R2 hoàn toàn đ−ợc xác định khi biết các đại l−ợng trong biểu thức (2-19) Giá trị áp suất làm việc của các bề mặt p là một trong những thông số quan trọng quyết định đến l−ợng mòn của các bề mặt ma sát khi ly hợp tr−ợt trong quá trình đóng ly hợp sau gài số. Trong đó vành ma sát th−ờng làm bằng vật liệu có hệ số ma sát cao nh−ng mềm hơn thép và gang. Vì vậy trong tính toán thiết kế phải chọn giá trị áp suất làm việc p nhỏ hơn hoặc bằng giá trị cho phép [p] = 1,4.105 ữ 2,5.105 [N/m2] nhằm bảo đảm tuổi thọ cần thiết cho chúng giữa hai lần sữa chữa thay thế. Kết cấu và tính toán ôtô: (Phần truyền lực trên ôtô) - Ngành Công nghệ Ôtô GVC. Ths. Lê Văn Tụy - Khoa Cơ khí Giao thông - Tr−ờng Đại học Bách khoa - ĐHĐN 16 Giá trị giới hạn trên đ−ợc áp dụng cho ôtô có động cơ nhiều xy lanh (lớn hơn 4), đặc tính động lực của xe tốt và làm việc trong điều kiện đ−ờng sá tốt (ít phải sang số) và ng−ợc lại ôtô có động cơ ít xy lanh, đặc tính động lực của xe không tốt và làm việc trong điều kiện đ−ờng sá xấu. Hệ số tỷ lệ kR có thể chọn theo kinh nghiệm bằng kR = 0,53 ữ 0,75. Giá trị nhỏ chỉ dùng cho xe có động cơ tốc độ trung bình và thấp và đặc tính động lực xe tốt (ít phải sang số). Với động cơ cao tốc, nếu chọn hệ số kR bé (tức R1 và R2 khác nhau lớn) thì chênh lệch tốc độ tr−ợt tiếp tuyến ở mép trong và mép ngoài của tấm ma sát sẽ lớn, gây ra sự mòn không đều từ trong ra ngoài tấm ma sát, thời hạn phục vụ của tấm ma sát sẽ giảm. Vì vậy đối với động cơ cao tốc nên chọn hệ số tỷ lệ kR về phía giới hạn trên. Hệ số ma sát à phụ thuộc vào nhiều yếu tố : vật liệu và tình trạng của đôi bề mặt ma sát, tốc độ tr−ợt t−ơng đối, nhiệt độ và áp suất trên bề mặt ma sát. Đối với ly hợp ma sát cơ khí ôtô máy kéo, hệ số ma sát giữ phê-ra-đô đồng với gang (hoặc thép) thì hệ số ma sát à có thể đạt đến 0,35. Tuy vậy, do ảnh h−ởng của các yếu tố nhiệt độ, tốc độ tr−ợt .v.v.. nên khi tính toán chỉ chọn trong khoảng à = 0,22 ữ 0,30. Số đôi bề mặt ma sát zms thông th−ờng bằng 2 (tức ly hợp một đĩa bị động, vì nh− vậy dễ ngắt nhanh và hoàn toàn). Chỉ đối với máy kéo hoặc ôtô tải lớn; có mô men cực đại của động cơ từ 465 [N.m] trở lên và làm việc trong điều kiện nặng nhọc (phải sang số nhiều) thì mới chọn zms = 4 (tức là ly hợp có hai đĩa bị động). Trong tính toán thiết kế, với việc −u tiên chọn zms = 2, bán kính ngoài R2 xác định theo biểu thức (2-19). Nếu R2 có giá trị quá lớn, có thể v−ợt quá giới hạn đ−ờng kính cho phép của bánh đà động cơ. Vì vậy, giá trị R2 sau khi tính toán phải đ−ợc kiểm tra so sánh với số liệu kinh nghiệm; đ−ợc cho theo bảng B2-2 ở phần phụ lục. Nếu R2 lớn quá giới hạn, cần thiết phải chọn lại zms = 4 và tính lại bán kính R2 theo (2-19). Bán kính trong của bề mặt ma sát R1 đ−ợc xác định thông qua hệ số tỷ lệ kR khi chọn để tính bán kính ngoài R2 ở trên; nghĩa là R1 = kRR2. Kết cấu và tính toán ôtô: (Phần truyền lực trên ôtô) - Ngành Công nghệ Ôtô GVC. Ths. Lê Văn Tụy - Khoa Cơ khí Giao thông - Tr−ờng Đại học Bách khoa - ĐHĐN 17 2.2.3 Công tr−ợt riêng của ly hợp : Việc xác định kích th−ớc của bề mặt ma sát theo điều kiện áp suất làm việc không v−ợt quá giá trị cho phép nh− trên ch−a đủ để đánh giá khả năng chống mòn của ly hợp. Khi các ly hợp khác nhau có cùng áp suất làm việc nh−ng với ôtô máy kéo có trọng l−ợng khác nhau thì sự hao mòn của ly hợp sẽ khác nhau. Ta biết rằng, quá trình đóng êm dịu ly hợp bao giờ cũng kèm theo sự tr−ợt ly hợp giữa các đôi bề mặt ma sát. Sự tr−ợt của ly hợp sẽ làm cho các bề mặt ma sát mòn, đồng thời sinh nhiệt nung nóng các chi tiết tiếp xúc trực tiếp với các bề mặt trựơt. Nếu c−ờng độ tr−ợt 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 nghiên cứu xác định công tr−ợt, công tr−ợt 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. a) Công tr−ợt riêng: Để đánh giá tuổi thọ của ly hợp theo điều kiện tr−ợt, ng−ời ta dùng chỉ tiêu công tr−ợt riêng; đ−ợc xác định bằng công tr−ợt trên một đơn vị diện tích làm việc của các bề mặt ma sát, kí hiệu lr [J/m 2] : )( 21 2 2 RRz Ll ms r −= π (2-20) Trong đó : L : Công tr−ợt của ly hợp, [Jun]; zms : Số đôi bề mặt ma sát; R2 : Bán kính ngoài của bề mặt ma sát, [m]; R1 : Bán kính trong của bề mặt ma sát, [m]. Sự tr−ợt của ly hợp diễn ra ngay sau khi gài số và thực hiện đóng ly hợp. Điều đó có thể xẫy ra lúc xe đang chạy hoặc khi bắt đầu khởi hành xe; trong đó tr−ờng hợp xe bắt đầu khởi hành sẽ có công tr−ợt lớn nhất vì lúc này sự chênh lệch tốc độ giữa bánh đà động cơ và tốc độ trục ly hợp (xe đang đứng yên) là lớn nhất. Kết cấu và tính toán ôtô: (Phần truyền lực trên ôtô) - Ngành Công nghệ Ôtô GVC. Ths. Lê Văn Tụy - Khoa Cơ khí Giao thông - Tr−ờng Đại học Bách khoa - ĐHĐN 18 b) Công tr−ợt ly hợp: Sự tr−ợt ly hợp khi khởi hành xe cũng có thể có hai tr−ờng hợp : sự tr−ợt ly hợp do đóng ly hợp đột ngột hoặc sự tr−ợt ly hợp do đóng ly hợp từ từ. - Khi đóng ly hợp đột ngột (lái xe thả nhanh bàn đạp ly hợp) làm cho đĩa ép lao nhanh vào đĩa bị động, thời gian tr−ợt ngắn nh−ng lực ép tăng lên nhanh làm cho xe bị giật mạnh, gây tải trọng động lớn đối với hệ thống truyền lực (do quán tính lao vào của đĩa ép, nên làm tăng thêm lực ép tác dụng lên đĩa bị động, mô men ma sát của ly hợp lúc tăng lên và do vậy ly hợp có thể truyền qua nó một mô men quán tính lớn hơn mô men ma sát tính toán theo 2-15). - Khi đóng ly hợp từ từ : Việc đóng ly hợp hợp từ từ tạo đ−ợc sự êm dịu cần thiết cho ly hợp và hệ thống truyền lực. Đó là một trong những yêu cầu quan trọng của ly hợp nhằm bảo đảm tính êm dịu và không sinh ra va đập cho hệ thống truyền lực. Tuy nhiên sự đóng từ từ ly hợp làm cho thời gian tr−ợt kéo dài và do vậy công tr−ợt sẽ tăng lên. Để khảo sát công tr−ợt ly hợp trong tr−ờng hợp đóng từ từ, ta xét mô hình tính toán nh− trên hình H2-9 : a) Mô hình tính toán b) Quan hệ M(t), ω(t) theo t khi đóng ly hợp. Hình H2-9 : Mô hình tính toán công tr−ợt ly hợp Chú thích : Je : Mô men quán tính khối l−ợng qui dẫn của bánh đà, [kg.m2];