Chương II : Thiết kế ly hợp
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 tốn 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 cơng thức:
Mc = Memax Trong đó :
Memax - Mơmen 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 lị 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 q 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 lị xo giảm do hai ngun 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 lị 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 ơ tơ có tính việt dã cao; = 2,0 �3,0 đối với ơ tơ 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 thơng 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 ngồi của đĩa ma sát theo cơng thức kinh nghiệm :
D = 2R = 3,16
emax
M C
(Theo tài liệu 1 trang III-4) Trong đó:
D - Đường kính ngồi của đĩa ma sát, tính theo cm;
C - Hệ số kinh nghiệm được xác định thơng qua q 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 = 21,9 cm = 219 mm
Ta chọn D = 260 mm
Bán kính trong của đĩa ma sát được tính theo bán kính ngồi :
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 ngồi của đĩa sẽ mòn nhanh hơn. Sự chênh lệch về tốc độ mài mịn càng lớn nếu các bán kính R và r chênh nhau càng nhiều. Vì vậy với các động cơ có số vịng 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 cơng thức : Rtb = = = 110 mm
Khi đó lực ép tổng cộng được tính như sau được tính từ mơ men ma sát của ly hợp, mô men này được tính như sau:
.
M F R
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 địn F.
Bán kính ma sát phụ thuộc vào quy luật phân bố tải q và hệ số ma sát . Theo tài liệu 1 trang III-4, Nếu coi ,q= const ta có:
R =
Đối với xe du lich 7 chỗ ta lấy R=Rtb=110 mm.
Như vậy ta có mơ 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 đơi bề mặt ma sát; kz là hệ số kể đến sự giảm lực ép lên các
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:
Áp suất tác dụng lên bề mặt ma sát được tính như sau:
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 mịn ngày càng cao do vậy người ta giới hạn áp suất này trong một giới hạn cho phép nhất đinh, với ô tô con: thỏa mãn.
Trong đó:
: Hệ số ma sát của vật liệu có giá trị
Đối với vật liệu hay sử dụng hiện nay ta chọn : Tổng lực ép lên các đĩa ma sát .
: Số đôi bề mặt ma sát.
: Bán kính ma sát tương đương với cánh tay địn đặt lực . : Diện tíchlàm việc của một bề mặt ma sát.
Lực ép tổng lên đĩa ép là = 2568 N
Theo sơ đồ tính tốn sơ bộ và dựa vào đường kính sơ bộ của đĩa ma sát ta chọn góc nghiêng tạo bởi lị xo trụ với giá là = 55o.
Lực ép theo phương nghiêng là: F = = = 4477 N
Khi ngắt ly hợp, lị xo có xu hướng hướng kính chứ khơng phải hướng trục, dẫn đến lực hướng kính của lị xo tăng lên khoảng 20% mà lực hướng trục giảm. Vậy lực ép lò xo khi ngắt ly hợp là:
Khi ngắt ly hợp, giá đỡ lò xo dịch chuyển sang phải, lúc này góc nghiêng là = 68o làm cho lực ép có xu hướng hướng kính chứ khơng phải hướng trục dẫn tới lực mở ly hợp nhỏ đi.
Lực mở ly hợp là:
Flh = Fcos 68o = 2012 N
- Ta dùng lò xo ép là loại lò xo trụ đặt xung quanh;
- Vật liệu chế tạo lị xo ép là thép 60C , có ứng suất xoắn cho phép là : [] = (5.108 7.108) N/m2
- Số lượng lị xo ép được chọn theo đường kính ngồi của trục sơ cấp; Ta chọn số lượng lò xo là zlx = 6.
Lực tác dụng lên một lò xo: F = = = 895 (N)
Độ cứng của lò xo được xác định theo công thức: c = = (N/m)
Trong đó:
là độ biến dạng của lị 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- mơ đun đàn hồi G = 8.104 MN/m2; D- đường kính trung bình của lị xo; d- đường kính dây lị xo;
n0- số vòng làm việc của lò xo. c = = = 37,3.103 (N/m)
Số vòng làm việc của lò xo được xác định theo công thức :
n0 =
Đường kính dây lị xo được xác định theo cơng thức :
d = = (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 [] = 5.104. 7.104 N/cm2
Ta chọn [] = 5.104N/cm2
d = = 0,54 (cm) chọn d = 6 cm
Đường kính trung bình của vịng lị xo :D = C.d = 6,4.6 = 38,4 mm Vậy số vòng làm việc của lò xo :
n0 = = 3 vòng
Để đảm bảo khoảng làm việc và chiều dài động học thì ta chọn số vòng làm việc của lò xo: no = 4 vịng
Số vịng tồn bộ của lò xo: n = no + 2 = 4 + 2 = 6 vòng Chiều dài tồn bộ của lị xo ở trạng thái tự do :
L = (no + 2) d + 1 (no + 1) +
1, 2 0, 2
l
Trong đó : 1 - Khe hở cực tiểu giữa vòng lò xo khi mở ly hợp,
thường chọn 1 = (0,5 1) mm : Ta chọn 1 = 1 mm
L = (4 + 2).6 + 1.(4 + 1) + 6.2,4 = 55,4 mm
Tính lị xo theo ứng suất cắt : = [] (N/m2) Trong đó :
- ứng suất sinh ra khi lò xo làm việc (khi mở ly hợp).
[] - ứng suất xoắn cho phép [] = 5.108 8.108 N/m2
k - hệ số tập trung ứng suất. Với D/d = 6,4 k = 1,25
= = = 5,07.108 N/m2< [] = 8.108N/m2
b. Tính lị 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. Mơ-men cực đại có khả năng ép lị xo giảm chẩn được xác định theo cơng thức:
Trong đó:
: Trọng lượng bám của ô tô trên cầu chủ động, : Hệ số bám của đường, lấy
: Bán kính làm việc của bánh xe, : Tỉ số truyền của truyền lực chính, : Tỉ số truyền của hộp số ở tay số 1, : Tỉ số truyền của hộp số phụ,
Thay vào cơng thức trên ta có:
Mơ-men quay truyền qua giảm chấn được tính bằng tổng mơ-men quay của các lực lị xo giảm chấn và mơ-men ma sát:
Trong đó:
: Mơ-men sinh ra do lực của các lị xo. : Mơ-men ma sát. : Lực ép của một lị xo giảm chấn. : Bán kính đặt lị xo giảm chấn. Chọn : Số lượng lò xo giảm chấn. Chọn : Lực tác dụng trên vòng ma sát. : Bán kính trung bình đặt các vịng ma sát.Chọn : Số lượng vòng ma sát.Chọn
Khi chưa truyền hết mơ-men quay, đinh tán nối các đĩa sẽ có khe hở, tới các thành bên của moay-ơ.
Độ cứng tối thiểu của lị xo giảm chấn (hay gọi là mơ-men quay tác dụng lên đĩa bị động để xoay đĩa đi sơ với moay-ơ):
Trong đó: : Độ cứng của một lị xo, Thay số: (N/m).
Hình 2.2. Cửa sổ moay-ơ.
Các cửa sổ đặt lị xo của moay-ơ có kích thước chiều dài là A phải nhỏ hơn chiều dài tự do của lị xo một ít, giúp lị xo ln ở trạng thái căng ban đầu.
Với: Chọn
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:
Thường Chọn
Cạnh bên cửa sổ làm nghiêng 1 góc . Chọn
Đường kính thanh tựa chọn đặt trong kích thước lỗ B. Chọn
Kích thước lỗ B được xác định theo khe hở . Các trị số chọn trong khoảng từ Chọn:
Theo thực nghiệm thường lấy:
Ta có lực ép tác dụng lên một lị xo giảm chấn là:
Số vòng làm việc của lò xo giảm chấn:
Trong đó:
: Mơ-đun đàn hồi dịch chuyển,
: Độ biến dạng của lị xo giảm chấn từ vị trí chưa làm việc đến vị trí làm việc, , chọn
: Đường kính dây lị xo, chọn
: Đường kính trung bình của vịng lị xo, Chọn
Lấy (vịng).
Chiều dài làm việc của lị xo được tính theo cơng thức:
Chiều dài của lò xo ở trạng thái tự do:
Vật liệu làm lị xo giảm chấn là thép có Trong đó:
: Lực ép của một lị xo giảm chấn, : Đường kính trung bình của vịng lị xo, : Đường kính dây lị xo,
: Hệ số tập trung ứng suất:
Với
Thay các thơng số vào cơng thức tính ta có:
Vậy lị xo đủ bền.