1. Xác định kích thước cơ bản của ly hợp
1.1. Xác định mômen ma sát mà ly hợp cần truyền
Mục đích thiết kế ly hợp tự điều chỉnh khe hở, ta có thế phác thảo sơ đồ tính toán như sau:
Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý ly hợp
1. Bánh đà; 2. Đĩa bị động; 3. Đĩa ép; 4. Lò xo ép
Ly hợp cần được thiết kế sao cho nó phải truyền được hết mô men của động cơ và đồng thời bảo vệ được cho hệ thống truyền lực khỏi bị quá tải. Với hai yêu cầu như vậy mô men ma sát của ly hợp được tính theo công thức:
Trong đó :
Memax - Mômen xoắn cực đại của động cơ;
- Hệ số dự trữ của ly hợp.
Hệ số dự trữ ly hợp là một hệ số quan trọng, nhằm đảm bảo cho ly hợp truyền hết mômen của động cơ sau một thời gian hoạt động, vì theo thời gian lực ép của lò xo giảm dần do mỏi, đĩa ma sát mòn làm lò xo dài ra... dẫn đến giảm mô men ma sát của ly hợp và làm giảm khả năng truyền mô men của ly hợp. Tuy nhiên nếu quá lớn thì kích thước ly hợp sẽ rất lớn và đặc biệt là không đảm bảo được chức năng cơ cấu an toàn, tránh cho hệ thống truyền lực khỏi bị quá tải. Hơn nữa để có hệ số lớn cần phải tăng kích thước của các đĩa ma sát, tăng số đĩa ma sát, hoặc tăng lực ép của các lò xo.
Lực ép lò xo giảm do hai nguyên nhân chính sau: sau thời gian sử dụng lâu dài độ cứng của lò xo giảm dần do mỏi; khi các đĩa ma sát bị mòn chiều dài lò xo tăng lên cũng làm giảm lực ép của nó. Theo kinh nghiệm, độ giảm lực ép của các lò xo do mỏi chiếm 8 10% và do độ mòn của các đĩa ma sát là 15 20% . Như vậy, với hai nguyên nhân trên, trong quá trình sử dụng hệ số có thể bị giảm tới 23 30%. Bởi vậy, người ta thường chọn hệ số như sau:
= 1,3 1,75 đối với ô tô con;
= 1,5 2,25 đối với ô tô tải;
= 1,8 3,0 đối với các ô tô có tính việt dã cao;
= 2,0 3,0 đối với ô tô có kéo rơ mooc. (Theo tài liệu [1] trang III-3)
→ Với đề bài là ô tô con 7 chỗ nên ta chọn = 1,5 Vậy mô men ma sát của ly hợp cần truyền :
Mc = Memax = 1,5.226 = 339 (Nm)
a. Xác định các thông số và kích thước cơ bản
Cơ sở để xác định kích thước của ly hợp là ly hợp phải có khả năng truyền được hết mô men cực đại của động cơ. Từ đó ta có thể xác định được kích thước các đĩa ma sát và chọn được số lượng đĩa bị động zi
Tính sơ bộ đường kính ngoài của đĩa ma sát theo công thức kinh nghiệm :
D = 2R = 3,16 emax M
C
(Theo tài liệu 1 trang III-4) Trong đó:
Me max - Mômen cực đại của động cơ, tính theo Nm;
D - Đường kính ngoài của đĩa ma sát, tính theo cm;
C - Hệ số kinh nghiệm được xác định thông qua quá trình nghiên cứu và phát triển của ngành công nghiệp ô tô. Với C = 4,7 với xe du lịch 7 chỗ.
→ D = 2R = 3,16 emax M C = 3,16 √226 4,7 = 21,9 cm = 219 mm Ta chọn D = 260 mm
Bán kính trong của đĩa ma sát được tính theo bán kính ngoài :
r = (0,53 0,75)R = (0,53 0,75) 130= (68,9 97,5) mm
Khi đĩa ma sát quay với vận tốc góc ω nào đó thì vận tốc tiếp tuyến ở một điểm bất kỳ Vx= ω.Rx. Có nghĩa là vận tốc trượt ở mép ngoài của đĩa sẽ lớn hơn mép trong của đĩa, do đó mép ngoài của đĩa sẽ mòn nhanh hơn. Sự chênh lệch về tốc độ mài mòn càng lớn nếu các bán kính và chênh nhau càng nhiều. Vì vậy với các động cơ có sốR r
vòng quay cao ta chọn r ≈ 0,75R và ngược lại với động cơ có số vòng quay thấp r ≈0,53R.
Với động cơ xe tham khảo là động cơ xăng với tốc độ vòng quay tối đa lớn, lên đến 5800 vòng/phút. Vậy ta chọn r ≈ 0,75R =90 mm.
Với xe du lịch 7 chỗ, bán kính ma sát trung bình được tính theo công thức :
Rtb = R+r
2 = 130 90+
2 = 110 mm
Khi đó lực ép tổng cộng được tính như sau được tính từ mô men ma sát của ly hợp, mô men này được tính như sau:
.
Trong đó:
M: Mô men ma sát của ly hợp, M=Mc ; F: Lực ma sát tổng hợp theo phương tiếp tuyến;
R: Bán kính ma sát tương đương cánh tay đòn F.
Bán kính ma sát phụ thuộc vào quy luật phân bố tải và hệ số ma sát q . Theo tài liệu 1 trang III-4, Nếu coi ,q= const ta có:
R = 2 3
R3
−r3
R2−r2
Đối với xe du lich 7 chỗ ta lấy R=Rtb=110 mm.
Như vậy ta có mô men ma sát của ly hợp được tính như sau:
μ= c= z N μ μ
M M kμF R z
Trong đó zlà số đôi bề mặt ma sát; kz là hệ số kể đến sự giảm lực ép lên các
bề mặt làm việc do ma sát trong các bộ phận dẫn hướng và các then hoa trên các đĩa ma sát. Đối với ly hợp cho xe con 7 chỗ ta có thể lấy kz=1; là hệ số ma sát, phụ
thuộc vào vật liệu, tình trạng tấm ma sát. Ta sử dụng loại vật liệu thông dụng với
=0,3.
Lực ép tổng lên các đĩa khi đó sẽ là:
FΣ= Mc
μ Rμzμ= 339
0,3.110 10. −3.4=2568(N).
Áp suất tác dụng lên bề mặt ma sát q được tính như sau:
q=FΣ A= 4FΣ π(D2 −d2)= 4.2568 π(2602−1802).10−6=0,90[MPa].
Áp suất tác động lên bề mặt ma sát q là một trong những thông số quan trọng đánh giá chế độ làm việc cũng như tuổi thọ của ly hợp. Áp suất này càng lớn thì tốc độ mài mòn ngày càng cao do vậy người ta giới hạn áp suất này trong một giới hạn cho phép nhất đinh, với ô tô con: [q]=0,14÷0,21[MPa]→q thỏa mãn.
Trong đó:
μ : Hệ số ma sát của vật liệu có giá trị 0,25÷0,3.
Đối với vật liệu hay sử dụng hiện nay ta chọn μ=0,3.
FΣ : Tổng lực ép lên các đĩa ma sát (N) .
zμ : Số đôi bề mặt ma sát.
Rμ : Bán kính ma sát tương đương với cánh tay đòn đặt lực Fμ(cm) .
A : Diện tíchlàm việc của một bề mặt ma sát. Lực ép tổng lên đĩa ép là F∑ = 2568 N
Theo sơ đồ tính toán sơ bộ và dựa vào đường kính sơ bộ của đĩa ma sát ta chọn góc nghiêng tạo bởi lò xo trụ với giá là α = 55 .o
Lực ép theo phương nghiêng là: F '∑ = F∑
cosα = 2568
cos 55o = 4477 N
Khi ngắt ly hợp, lò xo có xu hướng hướng kính chứ không phải hướng trục, dẫn đến lực hướng kính của lò xo tăng lên khoảng 20% mà lực hướng trục giảm. Vậy lực ép lò xo khi ngắt ly hợp là:
F ' '∑ = 1,2 F '∑ = 1,2.4477 = 5372 N
Khi ngắt ly hợp, giá đỡ lò xo dịch chuyển sang phải, lúc này góc nghiêng là
α = 68 làm cho lực ép có xu hướng hướng kính chứ không phải hướng trục dẫn tớio
lực mở ly hợp nhỏ đi. Lực mở ly hợp là:
Flh = F ' '∑ cos 68 = 2012 No
- Ta dùng lò xo ép là loại lò xo trụ đặt xung quanh;
- Vật liệu chế tạo lò xo ép là thép 60C , có ứng suất xoắn cho phép là : [] = (5.10 7.10 ) N/m8 8 2
Ta chọn số lượng lò xo là z = 6.lx
Lực tác dụng lên một lò xo: F ' 'lx = F ' '∑
zlx = 5372
6 = 895 (N) Độ cứng của lò xo được xác định theo công thức:
c = 0,1F ' 'lx ∆ = G d 4 8D3 n0 (N/m) Trong đó:
∆ là độ biến dạng của lò xo khi chuyển từ trạng thái đóng sang ngắt hay chính là hành trình của đĩa ép:
∆ = 1,5 ÷ 2,0 đối với ly hợp một đĩa;
∆ = 2,0 ÷ 3,0 đối với ly hợp hai đĩa; Chọn ∆ = 2,4 mm
G- mô đun đàn hồi G = 8.10 MN/m ;4 2
D- đường kính trung bình của lò xo; d- đường kính dây lò xo;
n0- số vòng làm việc của lò xo. c = 0,1F ' 'lx
∆ = 0,1.8952,4 = 37,3.103 (N/m) Số vòng làm việc của lò xo được xác định theo công thức :
n0 = G d ∆
4
1,6F ' 'lxD3
Đường kính dây lò xo được xác định theo công thức :
d = √ F ' 'lx 0,4[τx]. D d = √F ' 'lx.C 0,4[τx] (cm) Trong đó : d D = C = 5 8. Ta chọn d D = 6,4
Vật liệu chế tạo lò xo thường là thép cacbon cao 85, thép 65 , thép 60C . Ứng
suất xoắn cho phép trong khoảng [ ] = 5.10 . 7.10 N/cm 4 4 2
d =
√ 895.6,4
0,4.5.108 = 0,54 (cm) chọn d = 6 cm
Đường kính trung bình của vòng lò xo :D = C.d = 6,4.6 = 38,4 mm Vậy số vòng làm việc của lò xo :
n0 = 0,0024.8 10. 6.10
10
.( −3
)4
1,6.895.(38,4. 10−3)3 = 3 vòng
Để đảm bảo khoảng làm việc và chiều dài động học thì ta chọn số vòng làm việc của lò xo: n = 4 vòngo
Số vòng toàn bộ của lò xo: n = n + 2 = 4 + 2 = 6 vòngo
Chiều dài toàn bộ của lò xo ở trạng thái tự do : L = (n + 2) d + (n + 1) + o 1 o
1, 2 0, 2
l
Trong đó : - Khe hở cực tiểu giữa vòng lò xo khi mở ly hợp,1
thường chọn = (0,5 1) mm : Ta chọn = 1 mm1 1
L = (4 + 2).6 + 1.(4 + 1) + 6.2,4 = 55,4 mm Tính lò xo theo ứng suất cắt : = 8F ' 'lx. Dk
π d3 [] (N/m2) Trong đó :
- ứng suất sinh ra khi lò xo làm việc (khi mở ly hợp). [] - ứng suất xoắn cho phép [ ] = 5.10 8.10 N/m 8 8 2
k - hệ số tập trung ứng suất. Với D/d = 6,4 k = 1,25
= 8F ' 'lx. Dk π d3 = 8.895.38,4.10−.1,25 3 3,14. 6.10( −3 )3 = 5,07.10 N/m < [ ] =8 2 8.10 N/m8 2 b. Tính lò xo giảm chấn
Lò xo giảm chấn được đặt ở đĩa bị động để tránh sự cộng hưởng ở tần số cao của dao động xoắn do sự thay đổi của động cơ và của hệ thống truyền lực đảm bảo
truyền mô-men một cách êm dịu từ đĩa bị động đến moay-ơ trục ly hợp. Mô-men cực đại có khả năng ép lò xo giảm chẩn được xác định theo công thức:
Mmax=Gbφ rb i0i i1f1
.
Trong đó:
Gb : Trọng lượng bám của ô tô trên cầu chủ động, Gb=9100(N). φ : Hệ số bám của đường, lấy φ=0,8.
rb : Bán kính làm việc của bánh xe, rb=0,481(m). i0 : Tỉ số truyền của truyền lực chính, i0=5,125.
i1 : Tỉ số truyền của hộp số ở tay số 1, i1=4,124.
i0 : Tỉ số truyền của hộp số phụ, if1=1.
Thay vào công thức trên ta có:
Mmax=9100.0,8 .0,481
5,125.4,124 .1=165,678(Nm).
Mô-men quay truyền qua giảm chấn được tính bằng tổng mô-men quay của các lực lò xo giảm chấn và mô-men ma sát:
Mg=Mmax=Mlx+Mms=PlxgRlxzlx+P Rms mszms.
Trong đó:
Mlx : Mô-men sinh ra do lực của các lò xo.
Mms : Mô-men ma sát.
Plxg : Lực ép của một lò xo giảm chấn.
Rlx : Bán kính đặt lò xo giảm chấn. Chọn Rlx=50mm . zlx : Số lượng lò xo giảm chấn. Chọn zlx=6.2=12.
Rms : Bán kính trung bình đặt các vòng ma sát.Chọn Rms=30mm . zms : Số lượng vòng ma sát.Chọn zms=2.2=4.
Khi chưa truyền hết mô-men quay, đinh tán nối các đĩa sẽ có khe hở λ1 , λ2
tới các thành bên của moay-ơ.
Độ cứng tối thiểu của lò xo giảm chấn (hay gọi là mô-men quay tác dụng lên đĩa bị động để xoay đĩa đi 1o sơ với moay-ơ): S=17,4Rlx2
K zlx.
Trong đó: K : Độ cứng của một lò xo, K=1300(N/m).
Thay số: S=17,4Rlx
2
K zlx=17,4.0,052
.1300 .8=452 (N/m).
Hình 2.2. Cửa sổ moay-ơ.
Các cửa sổ đặt lò xo của moay-ơ có kích thước chiều dài là A phải nhỏ hơn chiều dài tự do của lò xo một ít, giúp lò xo luôn ở trạng thái căng ban đầu.
Với: A=(25 27÷ )mm .
Chọn A=25(mm).
Khi chuyển mô-men quay từ động cơ và từ bánh xe qua bộ phận giảm chấn giống nhau thì cửa sổ ở moay-ơ và ở đĩa bị động có chiều dài như nhau. Ở các giảm
chần có độ cứng khác nhau, chiều dài cửa sổ moay-ơ phải bé hơn so với cửa sổ ở đĩa một đoạn: a=A1−A .
Thường a= (1,4÷1,6)mm . Chọn a=1,5(mm).
Cạnh bên cửa sổ làm nghiêng 1 góc (1÷1,5o) . Chọn 1,5o.
Đường kính thanh tựa chọn d=(10 12÷ )mm đặt trong kích thước lỗ B. Chọn d=12(mm).
Kích thước lỗ B được xác định theo khe hở λ1, λ2 . Các trị số λ1, λ2 chọn trong khoảng từ (2,5 4÷ )mm . Chọn: λ1=λ2=3(mm).
Vậy kích thước đặt lỗ thanh tựa là:
B=d+λ1+λ2=12+ +3 3=18(mm).
Theo thực nghiệm thường lấy:
Mms=0,25.Mmax=0,25.165,678=41,42(Nm). → Mlx=Mmax−Mms=165,678−41,42 124,258= (Nm). Ta có lực ép tác dụng lên một lò xo giảm chấn là: Plx= Mlx zlxgRlx=124,258 12.0,05=207,1(N).
Số vòng làm việc của lò xo giảm chấn:
n0= λG d
4
1,6PlxD3.
Trong đó:
G : Mô-đun đàn hồi dịch chuyển, G=8. 1010(N/m2).
λ : Độ biến dạng của lò xo giảm chấn từ vị trí chưa làm việc đến vị trí làm việc, λ=(2÷4)mm , chọn λ=3mm=0,003(m).
D : Đường kính trung bình của vòng lò xo, Chọn D=14mm=0,014(m). ⇒n0=0,003.8.10 0,002 10 . 4 1,6.310,6.0,0143 =4,22 Lấy n0=4 (vòng).
Chiều dài làm việc của lò xo được tính theo công thức:
l1=(n0+1). d=(4+1).3=15(mm).
Chiều dài của lò xo ở trạng thái tự do:
l2=l1+n0. λ=15 4.3 27+ = (mm).
Lò xo được kiểm tra theo ứng suất xoắn:
τ=8PlxD π d3 k ≤[τ].
Vật liệu làm lò xo giảm chấn là thép 65Γ có [τ]=1400(MPa).
Trong đó:
Plx : Lực ép của một lò xo giảm chấn, Plx=207,1(N). D : Đường kính trung bình của vòng lò xo, D=0,014(m). d : Đường kính dây lò xo, d=2(mm).
k : Hệ số tập trung ứng suất: k=4C−1 4C−4+0,615 C Với C=D/d=0,014/0,002 7= ⇒k=4C−1 4C−4+0,615 C =4.7−1 4.7−4+0,615 7 =1,21.
τ=8PlxD
π d3 k=8.207,1.0,014
3,14.0,0023 .1,21 11,2. 10= 8(N/m2)=1120(MPa ≤) [τ].
Vậy lò xo đủ bền.