Là một bộ phận quan trọng trong hệ thống động cơ, chức năng chính của ô tô là người giữ bộ lọc là để hỗ trợ và cố định phần tử lọc để đảm bảo phần tử lọc duy trì vị trí ổn định và trạng thái làm việc đáng tin cậy trong quá trình hoạt động của động cơ. Mặc dù giá đỡ bộ lọc có kích thước không lớn nhưng thiết kế kết cấu và trọng lượng của nó có tác động quan trọng đến khả năng vận hành của toàn bộ xe. Trong những năm gần đây, với yêu cầu toàn cầu ngày càng khắt khe về tiết kiệm nhiên liệu và bảo vệ môi trường, thiết kế gọn nhẹ của giá đỡ bộ lọc xe đã trở thành xu hướng tất yếu.
Mục đích cốt lõi của thiết kế gọn nhẹ là:
Cải thiện hiệu suất sử dụng nhiên liệu: Giá đỡ bộ lọc nhẹ có thể giảm tổng khối lượng của xe, giảm gánh nặng cho động cơ, từ đó cải thiện khả năng tiết kiệm nhiên liệu và giảm lượng khí thải carbon dioxide.
Tối ưu hóa hiệu suất động của xe: Giảm trọng lượng của thân xe có thể cải thiện khả năng tăng tốc, hiệu suất phanh và độ ổn định xử lý, đặc biệt khi tăng tốc, phanh và lái xe ở tốc độ cao, thiết kế gọn nhẹ có thể cải thiện đáng kể khả năng xử lý của xe.
Giảm độ rung của xe: Giảm trọng lượng của giá đỡ bộ lọc có thể làm giảm sự truyền rung động của động cơ, giảm tác động lên các bộ phận khác của xe và cải thiện sự thoải mái khi lái xe.
Thiết kế nhẹ của giá đỡ bộ lọc không chỉ đạt được bằng cách giảm lượng vật liệu sử dụng mà còn đòi hỏi một loạt phương pháp thiết kế tối ưu hóa để đảm bảo độ bền, độ cứng và độ ổn định của giá đỡ không bị ảnh hưởng. Sau đây là một số công nghệ thiết kế nhẹ phổ biến:
(1) Tối ưu hóa lựa chọn vật liệu
Chất liệu là yếu tố chính ảnh hưởng đến trọng lượng nhẹ của giá đỡ phần tử bộ lọc. Giá đỡ phần tử lọc truyền thống thường sử dụng vật liệu kim loại có mật độ cao như thép hoặc gang. Mặc dù những vật liệu này có độ bền và độ bền cao nhưng mật độ cao khiến giá đỡ phần tử bộ lọc trở nên nặng nề. Với sự phát triển của các loại vật liệu nhẹ và có độ bền cao, việc thiết kế giá đỡ phần tử lọc hiện đại dần có xu hướng sử dụng các vật liệu sau để đạt được mục tiêu giảm nhẹ:
Hợp kim nhôm: Hợp kim nhôm có độ bền cao và mật độ thấp, nhẹ hơn thép khoảng 1/3 và có khả năng chống ăn mòn tốt, thích hợp sử dụng trong môi trường nhiệt độ cao và tải trọng cao. Hợp kim nhôm không chỉ có thể giảm trọng lượng của khung phần tử lọc một cách hiệu quả mà còn đảm bảo độ ổn định lâu dài của nó trong môi trường nhiệt độ cao và rung động của động cơ. Do hiệu suất xử lý tốt của hợp kim nhôm, nó thường được sử dụng trong sản xuất khung phần tử lọc quy mô lớn.
Hợp kim magiê: Hợp kim magiê có mật độ thấp hơn hợp kim nhôm và là một trong những vật liệu kết cấu nhẹ nhất được biết đến cho đến nay. Mặc dù hợp kim magiê không bền bằng hợp kim nhôm, nhưng nó có thể giảm trọng lượng của khung phần tử lọc một cách hiệu quả trong một số thiết kế không chịu tải quá mức, khả năng chịu nhiệt độ cao và khả năng chống ăn mòn dần được cải thiện và dần dần được sử dụng trong ngành công nghiệp ô tô.
Vật liệu composite: Nhựa và vật liệu composite sợi carbon cũng là những vật liệu quan trọng cho thiết kế nhẹ. Nhựa cường độ cao và vật liệu composite nhẹ hơn vật liệu kim loại và có thể chống ăn mòn và chống mỏi tốt. Đặc biệt trong các tình huống ứng dụng có yêu cầu về độ bền thấp, vật liệu composite có thể giảm trọng lượng của khung phần tử bộ lọc một cách hiệu quả.
Nhựa có độ bền cao: chẳng hạn như nylon gia cố, polyester, v.v., có độ bền và độ dẻo dai tốt, có thể đáp ứng hiệu quả các yêu cầu thiết kế của khung phần tử lọc. Với sự tiến bộ của công nghệ sản xuất, hiệu suất của nhựa cường độ cao hiện đại ngày càng gần với kim loại hơn và có thể mang lại tính linh hoạt xử lý cao hơn và chi phí sản xuất thấp hơn.
(2) Thiết kế tối ưu hóa kết cấu
Ngoài việc lựa chọn vật liệu, thiết kế cấu trúc của khung phần tử lọc cũng là chìa khóa để đạt được trọng lượng nhẹ. Bằng cách tối ưu hóa thiết kế kết cấu, có thể giảm việc sử dụng vật liệu không cần thiết trong khi vẫn duy trì độ bền và độ cứng của giá đỡ. Các phương pháp tối ưu hóa cấu trúc phổ biến bao gồm:
Thiết kế kết cấu rỗng: Cấu trúc rỗng là phương pháp phổ biến của thiết kế nhẹ. Bằng cách thiết kế một khoang bên trong khung phần tử bộ lọc, không chỉ có thể giảm việc sử dụng vật liệu mà còn có thể giảm trọng lượng tổng thể. Cấu trúc rỗng có thể giảm trọng lượng của giá đỡ một cách hiệu quả mà không làm giảm độ bền và độ cứng của nó, phù hợp với thiết kế giá đỡ phần tử bộ lọc yêu cầu khả năng chịu tải cao hơn. Thiết kế rỗng thường trải qua quá trình phân tích cơ học chính xác để đảm bảo độ bền của giá đỡ sẽ không bị ảnh hưởng nhiều trong khi giảm trọng lượng.
Thiết kế sườn: Thiết kế của gân hoặc gân có thể tăng cường hiệu quả độ cứng và độ bền của khung phần tử bộ lọc và ngăn khung bị biến dạng dưới tải trọng và độ rung cao. Thiết kế sườn thường có hình dạng hình học hợp lý để tập trung vật liệu vào khu vực cần chịu lực lớn hơn, từ đó giảm việc sử dụng vật liệu mà vẫn đảm bảo độ bền của giá đỡ.
Thiết kế cấu trúc lưới: Cấu trúc lưới được sử dụng để chia cấu trúc của giá đỡ thành nhiều đơn vị nhỏ. Bằng cách thiết kế hợp lý hình dạng và độ dày của từng đơn vị nhỏ, việc phân bổ vật liệu có thể được tối ưu hóa để đạt được mục đích giảm trọng lượng. Thiết kế kết cấu này thường được kết hợp với các công nghệ kỹ thuật hiện đại như phân tích phần tử hữu hạn (FEA) để đảm bảo việc sử dụng vật liệu trong mỗi đơn vị được cân bằng tối ưu.
Thiết kế tích hợp: Giá đỡ phần tử bộ lọc truyền thống thường yêu cầu lắp ráp nhiều bộ phận. Thông qua thiết kế tích hợp, chức năng của nhiều bộ phận có thể được kết hợp thành một cấu trúc tổng thể, từ đó giảm số lượng bộ phận cũng như độ phức tạp của việc kết nối và lắp ráp. Thiết kế tích hợp không chỉ giúp giảm trọng lượng mà còn cải thiện hiệu quả sản xuất, đồng thời có thể giảm ma sát tiếp xúc giữa các bộ phận và giảm khả năng xảy ra lỗi.
Tối ưu hóa phương thức kết nối: Phần kết nối của khung phần tử bộ lọc là một phần quan trọng trong thiết kế kết cấu. Bằng cách tối ưu hóa phương pháp kết nối, chẳng hạn như hàn, tán đinh hoặc các thiết bị kết nối nhanh, có thể giảm độ phức tạp và số lượng bộ phận của giá đỡ. Ngoài ra, việc sử dụng các đầu nối nhẹ hoặc các thành phần kết nối tích hợp có thể giảm trọng lượng tổng thể một cách hiệu quả.
