TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 309
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO MOAY Ơ SỬ DỤNG Ổ BI ĐÔI
TRÊN XE TIẾT KIỆM NHIÊN LIỆU
RESEARCH ON DESIGN AND MANUFACTURE OF HUBS USING DOUBLE BALL
BEARINGS ON FUEL-SAVING VEHICLES
Nguyễn Hà Anh1,*, Nguyễn Ngọc Bảo2, Ngô Quang Tạo3
1Lớp KTOT 08 - K16, Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
2Lớp KTOT 01 - K16, Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
3Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
*Email: hanhtaycoc@gmail.com
TÓM TẮT
Việt Nam đang tập trung vào việc phát triển ngành công nghiệp cơ khí, đặc biệt là trong lĩnh vực ô tô, nhờ vào sự tăng
trưởng ổn định của thị trường ô tô trong những năm gần đây. Sự phát triển này tạo ra cơ hội và thúc đẩy hoạt động nghiên
cứu và phát triển các thành phần kỹ thuật, nhất là vòng bi kép, là một phần quan trọng trong hệ thống truyền động ô tô.
Vòng bi kép có thiết kế đặc biệt giúp chịu tải và chịu biến dạng trục trong các ứng dụng ô tô. Tính toán và thiết kế vòng bi
kép đòi hỏi kiến thức sâu rộng về cơ khí, đặc biệt là về mô hình hoạt động và sự tương tác giữa các thành phần. Mục tiêu
của đề tài này là nghiên cứu và tính toán hiệu suất và độ bền của vòng bi kép trong hệ thống truyền động ô tô. Nhóm
nghiên cứu tập trung vào việc đánh giá và cải tiến các yếu tố như tải trọng chịu đựng cao, độ cứng lớn và khả năng chịu
biến dạng, nhằm tối ưu hóa hoạt động và tăng cường độ tin cậy của hệ thống ô tô.
Từ khóa: Vòng bi đôi, xe tiết kiệm nhiên liệu
ABSTRACT
Vietnam is on the path to asserting its potential in the mechanical industry, particularly in the automotive sector. With
the steady growth of the automotive market in recent years, the country has created opportunities and fostered the
development of the industry, while also promoting research and development activities in this field. In this context, the
design and calculation of double-row bearings have become crucial factors in enhancing the quality and performance of
automotive systems. In the automotive industry, the load-bearing transmission system is an indispensable component.
Double-row bearings, with their special design, play a significant role in bearing loads and shaft deformation in automotive
applications. Calculating and designing double-row bearings requires extensive knowledge of mechanics, particularly
regarding operational models and the interaction between components. The objective of this project is to study and
calculate the performance and durability of double-row bearings in automotive transmission systems. The research team
focuses on evaluating and improving factors such as high load-bearing capacity, high rigidity, and deformation resistance,
aiming to optimize operation and enhance the reliability of automotive systems.
Keywords: Double bearings, fuel-efficient car.
1. GIỚI THIỆU
Về vai trò quan trọng của việc thiết kế và tính toán vòng
bi kép trong nền công nghiệp ô tô, đặc biệt là trong việc
nâng cao chất lượng và hiệu suất của các hệ thống ô tô.
Nghiên cứu này tập trung vào việc thiết kế vòng bi kép cho
xe tiết kiệm năng lượng, nhằm tối ưu hóa hiệu suất và độ
bền của hệ thống truyền động ô tô. Bằng cách sử dụng phần
mềm ANSYS và AutoCAD, nhóm nghiên cứu đã thực hiện
tính toán và mô phỏng để đánh giá và cải tiến các yếu tố
như hao hụt công suất, tải trọng chịu đựng và độ cứng của
vòng bi kép, nhằm tăng cường độ êm dịu và tin cậy của hệ
thống truyền lực trên ô tô trong quá trình vận hành.
2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
+ Thiết kế nghiên cứu: Nghiên cứu này là một dự án mô
phỏng và thiết kế sử dụng phần mềm ANSYS để đánh giá
và tối ưu hóa hiệu suất của vòng bi kép trong hệ thống
truyền động ô tô.
+ Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu là việc
tính toán hiệu suất và độ bền của vòng bi kép trong hệ thống
truyền động ô tô, đồng thời thiết kế và chế tạo bộ moay ơ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 310vòng bi đôi giúp giảm ma sát cản và các lực cản, tăng mượt
mà di chuyển và tận dụng công suất của động cơ để xe vận
hành nhanh và đi xa hơn.
+ Địa điểm và thời gian nghiên cứu: Nghiên cứu được
thực hiện tại phòng Lab của Trường Cơ khí - Ô tô từ tháng
09/2023 đến tháng 05/2024.
+ Cỡ mẫu và chọn mẫu: Nhóm nghiên cứu đã thực hiện
việc điều chỉnh kích thước và cấu trúc của moay ơ ban đầu
để phù hợp với yêu cầu của xe tiết kiệm nhiên liệu. Ban đầu,
moay ơ được thiết kế cho xe đạp, sử dụng vòng bi đơn, cơ
cấu phanh cơ và cố hai đầu trục cố định. Tuy nhiên, nhóm
đã thay đổi thiết kế này để sử dụng vòng bi kép, cơ cấu
phanh đĩa và chỉ cố định một đầu trục. Đối với cấu trúc cầu
trước bị động, với hai bánh di chuyển động lập đồng tâm
trên một trục, nhóm đã thiết kế bộ moay ơ mới sử dụng vòng
bi kép để tối ưu hóa hiệu suất và độ bền của hệ thống.
+ Công cụ nghiên cứu và kỹ thuật thu thập thông tin:
Nghiên cứu này sử dụng phần mềm mô phỏng ANSYS để
thiết kế và phân tích biến dạng đàn hồi, tổng biến dạng cũng
như hệ số an toàn của bộ moay ơ vòng bi đôi. Các thông số
đầu vào như moay ơ bánh trước, kích thước vành, kích
thước nan hoa và moay ơ ban đầu sử dụng vòng bi đơn
nhóm đã thiết kế lại để phù hợp với kết cấu của xe để sử
dụng moay ơ vòng bi đôi.
+ Phân tích dữ liệu: Dữ liệu thu được từ mô phỏng
ANSYS sẽ được phân tích để đánh giá hiệu quả tiết kiệm
nhiên liệu khi sử dụng moay ơ vòng bi đôi.
+ Đạo đức nghiên cứu: Dữ liệu thu được từ mô phỏng
ANSYS sẽ được phân tích để đánh giá hiệu quả tiết kiệm
nhiên liệu khi sử dụng moay ơ vòng bi đôi.
3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
3.1. Trình tự nghiên cứu
Nghiên cứu này quan tâm đến độ nhạy của mô hình đối
với sự thay đổi của hệ số ma sát giữa hai vòng bi. Trong quá
trình vận hành, việc sử dụng vòng bi nhỏ với hệ số ma sát
thấp giúp xe di chuyển xa hơn với cùng một công suất, trong
khi vòng bi lớn giữ vai trò dự trữ momen quay và chịu lực
tác động khi xe vào cua, tránh hiện tượng hao hụt công suất.
Trong mô phỏng này, biến dạng của mô hình moay ơ ở giai
đoạn cuối ít thay đổi khi hệ số ma sát thay đổi.
Hình 1. Biểu đồ tải trọng trung bình trong khoảng thời gian chịu
tải và ảnh hưởng của các điều kiện bôi trơn đối với hệ số trọng lượng
Tuy nhiên, với sự quay của moay ơ, ứng suất tiếp tuyến
đã có những thay đổi đáng kể, điều này cũng được xem xét
trong nghiên cứu.
Dựa vào nghiên cứu của nhóm, khi lắp bánh xe sử dụng
vòng bi đơn vào thước lái và áp dụng lực siết từ bulong và
đai ốc, sẽ tạo ra lực tác động ngược lại vào bộ moay ơ. Để
tận dụng lực này và tạo ra một cấu trúc khóa cố định, nhóm
đã thiết kế và chế tạo bộ cốt giữ 2 vòng bi. Bộ cốt này tận
dụng lực tác động ngược lại từ bulong và đai ốc để tạo ra
một cấu trúc khóa cố định vòng bi, ngăn chặn vòng bi di
chuyển theo phương dọc trục và đảm bảo rằng cấu trúc
không bị tách rời trong quá trình xe vận hành.
Sau khi đã hoàn thành quá trình thiết kế và tính toán,
nhóm nghiên cứu tiến hành lên bản vẽ 2D cho từng chi tiết
của moay ơ. Từ các thông số ban đầu của moay ở bánh
trước, kích thước vành, kích thước nan hoa và thiết kế ban
đầu của moay ơ dành cho xe đạp, sử dụng vòng bi đơn và
cơ cấu phanh cơ với hai đầu trục cố định, nhóm đã điều
chỉnh thiết kế để phù hợp với cấu trúc của xe tiết kiệm năng
lượng. Thiết kế mới này sử dụng vòng bi kép, cơ cấu phanh
đĩa và chỉ cố định một đầu trục. Đối với cấu trúc cầu trước
bị động, với hai bánh di chuyển động lập đồng tâm trên một
trục, nhóm đã thiết kế bộ moay ơ với các kích thước cụ thể
như trong hình.
Hình 2. Cơ sở thiết kế
Một bài toán sẽ chia ra làm 3 giai đoạn chính là: tiền xử
lý, xử lý và hậu xử lý. Và trong Ansys Workbenh khi tạo
mới bài toán thì cũng phải trải qua 3 giai đoạn này.
Hình 3. Trình tự thực hiện bài toán phân tích kiểm bền
3.2. Tính toán, phân tích moay ở sử dụng vòng bi đôi.
Tiến hành tính toán và phân tích, sau khi phân tích thì
màn hình sẽ hiển thị các kết quả như sau:
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 311
Hình 4. Total deformation (cả 2 vòng bi)
3.3. Tính toán, mô phỏng moay ở sử dụng vòng bi đôi
Để có được 1 mô hình mô phỏng thì nhóm nghiên cứu
đã tạo dựng và thiết kế mô hình này trên phần mềm Ansys
tùy biến cho người dùng sử dụng, có thể vẽ trực tiếp mô
hình trong Ansys sử dụng design modeler hoặc cũng có thể
nhập mô hình từ một phần phầm CAD chuyên dụng khác.
Hình 5. Mô hình vòng bi kép và moay ơ
Trong quá trình lựa chọn loại mô phỏng, việc chọn vật
liệu là một yếu tố quan trọng. Trong trường hợp phân tích
nhiệt và kiểm bền của moay ơ vòng bi đôi, cần sử dụng hai
loại vật liệu chính là thép carbon và nhôm. Đây là những
loại vật liệu có khả năng chịu nhiệt và lực tốt, đồng thời có
độ bền cao. Vật liệu được chọn cho phần moay ơ là nhôm,
trong khi đó trục được chọn là thép carbon. Điều này giúp
đảm bảo rằng mô hình mô phỏng sẽ phản ánh được điều
kiện thực tế và cung cấp kết quả mô phỏng chính xác và tin
cậy.
Hình 6. Chọn vật liệu cho bài toán
A: chọn chủng loại vật liệu
B: chọn tên vật liệu mong muốn
Bước cuối cùng trong quá trình thiết lập chương trình
mô phỏng cho biến dạng đàn hồi, tổng biến dạng và hệ số
an toàn của bộ moay ơ vòng bi đôi là thiết lập các thông số
để chạy bài toán mô phỏng. Lưới toàn cục là phương pháp
chia lưới theo mặc định, tuy nhiên chất lượng của lưới
không cao nên độ chính xác của kết quả giảm đi. Do đó, cần
phải thiết lập các thuộc tính nâng cao bao gồm lưới toàn cục
và cục bộ để cải thiện chất lượng của lưới và đảm bảo tính
chính xác của kết quả mô phỏng.
Hình 7. Thiết lập thuộc tính chia lưới
Kết quả mô phỏng như sau:
Hình 8. Equivalent elastic strain
Hình 9. Tổng quan về hệ số mô phỏng
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 312Tổng quan về hệ số mô phỏng cho thấy cần chỉnh sửa
thông số và thiết kế lại phần đầu moay ơ không có định do
hệ số mô phỏng đang ở mức không an toàn dưới tác động
của tải trọng .Sau khi chỉnh sửa lại có thể làm mô hình và
sản phẩm hoàn thiện đưa vào quá trình test thực thế trên xe
ô tô trên đường
4. KẾT LUẬN
Sau một thời gian dài nghiên cứu và mô phỏng, nhóm
nghiên cứu đã trình bày một trình mô phỏng về biến dạng
đàn hồi, tổng biến dạng cũng như hệ số an toàn của bộ moay
ơ vòng bi đôi. Chúng tôi đã sử dụng phần mềm Ansys để
mô phỏng số về việc tính nhiệt và phân tích lực tác dụng lên
moay ơ khi sử dụng vòng bi đôi. Trong quá trình này, chúng
tôi đã nghiên cứu đặc tính của moay ơ, vòng bi và trục cũng
như kết quả về độ bền mỏi, ứng suất, và tổng hợp các kết
quả phân tích. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng việc sử dụng
vòng bi đôi mang lại hiệu quả cao hơn so với vòng bi đơn.
Những thông số này đã cung cấp thông tin quan trọng về
đặc tính cơ nhiệt của moay ơ, biến dạng, hiệu suất và độ
mòn. Khi tiến hành thử nghiệm thực tế, chúng tôi đã thu
được kết quả như mong đợi, khi xe có thể chạy xa hơn với
cùng một công suất. Kết quả cuối cùng được đánh giá sau
khi nhóm tham gia cuộc thi Shell Eco-marathon, với kết quả
đạt được là 866,16 km/l khi sử dụng vòng bi đôi. Điều này
chứng minh rằng nghiên cứu và ứng dụng của chúng tôi đã
mang lại những thành tựu đáng kể trong lĩnh vực này, đồng
thời cung cấp nền tảng vững chắc cho công việc tiếp theo.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Phạm Minh Hiếu (Chủ biên). Nguyễn Ngọc Anh, Nguyễn Tuấn Nghĩa, Lê Đức Hiếu, 2017. Giáo trình tin học
ứng dụng trong kỹ thuật ô tô, NXB Thống kê, Hà Nội.
[2]. Nguyễn Trọng Hoan. 2009. Tập bài giảng thiết kế tính toán ô tô.
[3]. Ninh Đức Tốn, 2000. Bài giảng dung sai. Trường đại học Bách khoa Hà Nội.
[4]. Trịnh Chất và Lê Văn Uyển 2007. Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí tập 1 và tập 2, NXB Giáo dục.
[5]. https://www.carid.com
[6]. https://www.oto-hui.com/diendan
[7]. http://doc.edu.vn
[8]. https://forum.ansys.com
[9]. Các Sản phẩm | SKF
[10]. Vòng bi là gì? Các chức năng cơ bản của vòng bi! - Cao Long Co.Ltd
(caolongvietnam.com)https://www.researchgate.net/publication/306208859_Stres_s_analysis_of_automotive_ventilate_
d_disc_brake_rotor_and_pads_using_finite_element_method
[11]. Đặc điểm nguyên lý hoạt động và phân loại vòng bi (dailyvongbi.vn)
[12]. Các yếu tố cơ bản hàng đầu để lựa chọn vòng bi, bạc đạn, ổ lăn (ngocanh.com)