CHƯƠNG 9: THIẾT KẾ THÂN VỎ Ô TÔ

1 CHƯƠNG 9: THIẾT KẾ THÂN VỎ Ô TÔ Thân vỏ xe cụm tổng thành quan trọng xe, lắp đặt (hoặc tích hợp) chassis (dàn gầm)/hoặc khung xe, dùng để chứa hàng hóa, hành khách, hành lý, lắp đặt trang thiết bị nội ngoại thất xe Đối với xe du lịch, thân xe chiếm đến 20% trọng lượng xe 44% tỷ lệ thép xe Tùy theo chủng loại xe mà chia thân xe du lịch, thân xe khách, thân xe tải,…mỗi loại lại tùy theo kết cấu thân xe mà phân chia thành nhiều loại khác Thân xe có vai trị: - Là kết cấu chịu lực, chịu tải trọng bên (mặt đường môi trường) tải trọng xe Là kết cấu đảm bảo an toàn cho hành khách hàng hóa bị tai nạn - Là khơng gian đảm bảo điều kiện tiện nghi an toàn cho lái xe hành khách theo điều kiện nhân trắc học di chuyển - Là không gian để xếp đặt tháo dỡ hàng hóa, hành lý - Là kết cấu để lắp đặt tất trang thiết bị thân xe, kể trang thiết bị phụ tơ - Là kết cấu tạo nên hình dáng thẩm mỹ hình dáng khí động cho xe 9.1 Phân tích kết cấu thân vỏ tơ du lịch 9.1.1 Đặc điểm Xe du lịch (passenger car) loại xe chở người, có số chỗ ngồi từ trở xuống Các yêu cầu thân vỏ xe du lịch sau: - Cung cấp khơng gian cần thiết cho vị trí lái xe cho hành khách không gian cần thiết cho hành lý mang theo - Đảm bảo không gian cần thiết để lắp đặt cụm, hệ thống trang bị phụ có liên quan xe - Chịu trọng lượng hành khách vận chuyển, hành lý cụm, hệ thống, trang bị phụ đặt - Chịu ứng suất gây chuyển động xe điều kiện hoạt động hoạt động cụm hệ thống xe - Có độ bền vững cao để không ảnh hưởng đến khả động, ổn định hoạt động xác tất cụm lắp ráp xe - Đảm bảo bảo vệ tốt người bị va đập lật xe, đảm bảo không biến dạng khoang hành khách giảm nguy thương tích cho hành khách người khác người liên quan đến vụ va chạm (người xe đạp) (hình 9.1) - Đảm bảo điều kiện công thái học cần thiết cho hoạt động lái xe Đảm bảo tầm nhìn tốt cho người lái xe theo hướng phía trước, bên hông xe lùi Đảm bảo thoải mái cao cho người lái hành khách - Bảo vệ thân xe khỏi bị ảnh hưởng yếu tố khí hậu (gió, mưa, nhiệt độ, độ ẩm,…) - Đảm bảo tính thẩm mỹ tốt, đảm bảo tính khí động học tốt Thân vỏ xe có kết cấu bao gồm: - Phần thân kết cấu chịu lực Phần gọi thân xe trắng (body in white – BIW) - Các thành phần đóng mở cụm lắp ráp kết cấu chịu lực với vai trị đóng/mở ngăn khác thân xe (cửa, mui xe, nắp capot, v.v.) Các thành phần khơng có vai trị chịu lực độ cứng thân xe, cần thiết cho sử dụng tơ, góp phần bảo vệ hành khách (các yếu tố khí hậu, tác động bên ngoài, v.v.), người (tác động mui xe phía trước) hành lý Lật đổ Bảo vệ người Va chạm phía sau Va chạm phía trước Cản trước ttrướctrướdx Va chạm bên Hình 9.1: Các tiêu chuẩn bảo vệ chống va đập lật xe Linh kiện kèm linh kiện tháo rời thân máy thân xe (cánh, cản, kính chắn gió, cửa sổ, v.v.) - Các thành phần phi cấu trúc (vải bọc, ghế, bảng đồng hồ, v.v.) - Các thành phần hoàn thiện bảo vệ bao gồm thành phần vật liệu sử dụng để làm kín, chống ăn mịn, cách nhiệt, rung âm thanh, để hoàn thiện sơn Giải pháp kết cấu thân vỏ xe du lịch làm sàn chịu lực cấu trúc thượng tầng khoang hành khách, khoang trước khoang sau tạo thành (hình 9.2) Hiện nay, gần tất ô tô đại có kết cấu sàn phần phía (cấu trúc thượng tầng - body) hợp thành thân xe đơn nhất, gọi thân xe chịu lực - Khoang hành khách Khoang trước Khoang sau SÀN CHỊU TẢI Hình 9.2: Thiết kế thân vỏ xe du lịch Những cấu trúc phức hợp kết hợp tấm, vỏ, khung xương dập lắp ráp chúng hàn điểm Kiến trúc, cấu hình kích thước thành phần thân vỏ xe quan trọng để đảm bảo độ cứng vững tốt cho thân vỏ xe Về mặt thiết kế, thân vỏ tơ du lịch có loại: Thân xe có ba khoang với ngăn riêng biệt: khoang động cơ, khoang hành khách khoang hành lý, hình 9.3a Thân xe ba khoang đặc trưng tồn ba trụ cột (A, B, C) thành bên thân xe đặc trưng cho loại thân xe kiểu sedan, coupe kiểu cabriolet Thân xe hai khoang: thân xe có ngăn cho động cơ, khoang hành khách khoang hành lý nằm ngăn ngăn cách thành phần phi cấu trúc tháo rời (băng ghế, kệ gấp, v.v.), hình 9.3b Một thân xe hai khối dành riêng cho loại thân xe kiểu wagon (familial), đặc trưng tồn bốn trụ cột (A, B, C, D) hatchback đặc trưng tồn ba bốn trụ cột Tại thân xe hatchback với bốn trụ, cột C D gần đỉnh Thân xe khoang (monovolum): thân xe hai khối mà chân trụ A đặt nhiều phía trước xe, khó phân biệt khối ngăn cách vách ngăn phía trước nội thất bao gồm toàn nội thất định dạng (hình 9.3c) Một thân xe đơn khối đặc trưng tồn bốn trụ cột (A, B, C, D) Hình 9.3: Thân xe du lịch chia theo số khoang Về cấu trúc, phân biệt thân vỏ ô tô du lịch đại theo loại sau: Loại thân vỏ liền khối (Monocoque), kết cấu bao gồm cấu trúc thép dập định hình thành mảng nhỏ định hình, từ hàn ghép với thành mảng lớn hàn ghép lại thành thân vỏ xe (hình 9.4a), loại thân vỏ chịu lực hoàn toàn Loại thân vỏ có kết cấu khung khơng gian (Space Frame), kết cấu gồm thép dập/cán định hình, hàn ghép lại thành khơng gian thân vỏ xe (hình 9.4b), loại thân vỏ chịu lực, loại nghiên cứu phát triển, chưa phổ biến Loại thân vỏ có khung (Body on Frame), gồm thân vỏ kiểu thép dập định hình thành mảng, hàn ghép với thành mảng lớn ghép lại thành thân vỏ xe đặt khung xe có kết cấu hàn (hình 9.4c) Đây loại thân vỏ cho loại xe du lịch địa hình, thể thao (SUV), chịu tải trọng lớn chạy đường gồ ghề, địa hình đồi núi,… Đây loại thân vỏ không chịu lực mà khung xe chịu lực Hình 9.4a: Steel monocoque Thân liền khối Hình 9.4b: Space Frame Khung khơng gian Hình 9.4c: Body-on-Frame Khung rời với thân xe Hình 9.4: Thân vỏ xe du lịch phân tích theo cấu trúc Đi vào kết cấu chi tiết, thân vỏ ô tô du lịch mô tả hình 9.5, bao gồm phần khung lõi bên phần tơn vỏ bọc bên ngồi Tất kết cấu nối kết mối ghép hàn điểm Các phần rời cánh cửa, nắp đậy phía trước phía sau gia cơng hồn chỉnh riêng biệt, sau lắp ghép mối ghép lề vào thân xe 9.1.2 Phân loại thân vỏ xe du lịch Tùy thuộc vào cách ăn khớp đế chịu lực cấu trúc thượng tầng, thân xe phân loại sau (hình 9.6): Hình 9.5: Kết cấu chi tiết thân vỏ xe du lịch Thân xe không chịu lực: có sàn chịu lực (khung gầm) cấu trúc thượng tầng (thân xe) cấu trúc riêng biệt lắp ráp phần tử đàn hồi giảm chấn Ở loại thân xe này, khớp, bệ đỡ hay ổ lắp cầu, hệ thống treo động định vị sàn chịu lực Sự kết nối đàn hồi sàn xe thân xe làm giảm độ chịu lực thân xe nhiều chế độ vận hành khác ô tô Trọng lượng thân xe nhẹ đi, phải chịu lực trọng lượng hành khách, hành lý (hoặc hàng hóa) cụm lắp ráp phụ gây đặt Cùng sàn chịu lực lắp ráp cho thân xe có tính chất qn tính tương tự Cịn sàn chịu lực có trọng lượng cao hơn, lực tác động hoạt động xe chịu trọng lượng thân xe Thân xe bán chịu lực: sàn chịu lực (khung gầm) cấu trúc thượng tầng (thân xe) quan riêng biệt lắp ráp bu lơng có khơng có ống lót cao su Độ co giãn kết nối hai phần nhỏ, thân xe đảm nhận hầu hết tác động khung gầm Độ cứng thân xe chiếm tỷ lệ cao độ cứng toàn sàn thân xe Các khớp, bệ đỡ hay ổ lắp cầu, hệ thống treo động định vị sàn chịu lực Loại thân xe cho phép tiêu chuẩn hóa thành phần khí đơn giản hóa quy trình để lắp ráp thành phần khí khung sàn trước lắp ráp với thân xe Một giải pháp kết cấu loại thân xe cho phép dùng khung gầm cho nhiều loại thân xe khác nhau, thường sử dụng phương tiện vận tải chở hàng xe bán tải, xe SUV Nhược điểm loại thần xe trọng lượng toàn lớn so với loại thân xe chịu lực Thân xe chịu lực: sàn xe thân vỏ xe kết cấu thống Các khớp, bệ đỡ hay ổ lắp cầu, hệ thống treo động kết nối trực tiếp với thân xe Do đó, tồn thân xe chịu tất tải trọng từ chế độ vận hành khác tơ Giải pháp có lợi thân xe nhẹ hơn, có nhược điểm độ xác kích thước thấp lắp ráp cầu ô tô hệ thống treo dung sai thân xe nhỏ khả truyền rung động cao qua khớp treo vào khoang hành khách Hình 9.6: Các loại thân xe: a) không chịu lực; b) bán chịu lực; c) chịu lực hoàn toàn Trong số giải pháp kết cấu, kết nối cầu thân xe số trường hợp lắp đặt tổ hợp động cơ, thực khung phụ, mối lắp cố định cứng ống lót cao su đàn hồi (hình 9.7) Ưu điểm giải pháp khả mơ-đun hóa với cụm khí lắp ráp khung phụ (các cầu, nhóm động cơ, phận truyền động, phận hệ thống lái, v.v.) Những mơ-đun lắp ráp dây chuyền lắp ráp song song với dây chuyền sau lắp ráp chuyền thân xe Hình 9.7: Giải pháp thân xe với khung phụ phía trước phía sau Các mơ-đun kiểm tra riêng trước lắp ráp chúng vào thân xe Việc sử dụng ống lót kết nối đàn hồi làm cho khả truyền rung cải thiện Nhược điểm có tăng trọng lượng thân xe, nhỏ nhiều so với trường hợp giải pháp thân xe không chịu lực 9.1.3 Sàn chịu lực xe du lịch Sàn chịu lực xe du lịch nơi lắp đặt cụm phụ kiện động cơ, két làm mát, thùng nhiên liệu, đường ống xả,…lắp đặt cầu trước cầu sau thông qua hệ thống treo lắp đặt thân xe (các khoang) Sàn chịu lực tùy theo loại thân xe mà tách rời liền khối với thân xe Về mặt kết cấu, sàn chịu lực bao gồm đà dọc, đà ngang tôn sàn Kết cấu sàn chịu lực phải có đủ độ cứng vững, chống xoắn chống uốn thân xe Sàn chịu lực kiểu khung: Nếu sàn chịu lực phần tách biệt với thân xe, loại khung làm cấu trúc kiểu "bậc thang", bao gồm hai xà dọc kết nối số xà ngang (hình 9.8) Khung có vai trị nâng đỡ trọng lượng thân xe hấp thụ tất tác động từ mặt đường, hệ thống treo, nhóm động hệ thống lái Trong trường hợp xe va chạm, khung xe góp phần vào bảo vệ hành khách hàng hóa chuyên chở Phần thân xe thường lắp ráp với khung tháo rời số điểm (có mối ghép cao su để giảm rung động), khung uốn cong phân phối tải trọng theo chiều dài xà dọc Ở giải pháp kết cấu này, cấu trúc thân xe phải đủ mạnh cứng vũng để chịu trọng lượng hành khách hàng hóa, tải trọng động cú sốc rung chuyển truyền từ khung Trong số trường hợp, cấu trúc thân xe chịu số tải trọng xoắn mà khung không bị hấp thụ Đối với ô tô du lịch, sàn kiểu khung gầm đảm bảo khoảng 35% tổng độ cứng xoắn uốn thân xe Hình 9.8: Kết cầu sàn chịu lực kiểu khung Trong mặt phẳng đứng, xà dọc (1) uốn cong cao phía trước để phù hợp cho khoang động thấp xuống để hạ thấp trọng tâm xe, xà dọc rộng tóp lại hai đầu xe để lắp đặt hệ thống treo đảm bảo hoạt động bánh xe dẫn hướng Các xà ngang (2, 3, 4, 5, 6, 7, 8) hàn (hoặc lắp ghép) vào xà dọc, số lượng, kích thước vị trí xà ngang lựa chọn đảm bảo sức bền xoắn cho khung xe Trên xà ngang có ổ đỡ lắp két nước, tổ hợp động cơ, thùng nhiên liệu cụm khác Các bát lắp ghép (9) xà ngang xà dọc thiết kế phù hợp Khung xe phải có vị trí lắp ghép cầu trước (10) hệ thống treo cầu sau (11), gối đỡ lắp động (12), cụm khác gối đỡ lắp thân xe (13) (hình 9.9) Các gối đỡ phải có đệm đàn hồi để giảm tác động mặt đường truyền lên thân xe Độ cứng xoắn xe phải nhỏ tổng độ cứng xoắn khung thân xe Hình 9.9: Các cụm lắp ghép lên khung xe Loại sàn khung chịu lực sử dụng thân xe SUV xe bán tải, tìm thấy số xe du lịch loại lớn khác Cùng loại khung gầm thích nghi với loại hình dạng khác thân xe (hình 9.10) Sàn khung chịu lực đảm bảo cho thân xe có độ cứng vững tốt làm trọng lượng xe lớn vị trí nâng trọng tâm xe cao Hình 9.10: Sàn chịu lực kiểu khung số xe du lịch Sàn chịu lực kiểu thân xe chịu tải: Đối với thân xe chịu tải, sàn chịu lực tạo thành khối thống với thân xe phía trên, nên hình dạng sàn chịu tải có mối liên hệ chặt chẽ với hình dạng mà thân xe phía phải có, thân xe phải gắn kết trực tiếp lên xà dọc xà ngang sàn chịu lực Sàn chịu lực thân xe tạo thành kết cấu thống Do đó, sàn chịu lực xe phần thân xe (underbody), bao gồm sàn khoang hành khách xà dọc sàn xe Thường có loại sàn chịu lực sau: - Sàn chịu lực cổ điển: (hình 9.11) bao gồm ba khung bố trí ba phần cấu tạo cấu trúc thân xe (khoang trước, khoang sau khoang hành khách) Trên bán xà dọc phía trước (1) phía sau (2) định vị giá đỡ cầu hệ thống treo phía trước (8) phía sau (9) khoang thân xe kết nối với Khung khoang trước khoang sau đóng xà ngang phía trước (4) phía sau (5) Phần khung khoang hành khách, bao gồm xà dọc bên (3) xà ngang (6) (7), nằm thấp bên khung khoang trước khoang sau để hạ thấp trọng tâm xe hành khách lên xuống dễ dàng Phần xà dọc có trụ kết nối thành bên thân xe Đối với xe có động bố trí phía trước, khung khoang hành khách khung khoang sau bao phủ sàn khoang hành khách (10) sàn cốp sau (11) Khoang trước Khoang Khoang sau Hình 9.11: Kết cấu sàn chịu lực kiểu thân xe chịu tải Để đảm bảo độ cứng vững (uốn xoắn) khung thân xe, phần khung khoang phải liên kết tốt với Từ loại kết cấu mà người thiết kế làm nhiều kiểu kết cấu sàn chịu lực khác - Sàn chịu lực với khung tích hợp: có nửa xà dọc phía trước phía sau tạo thành khung tích hợp (hình 9.12) tạo thành hai xà dọc bên (1) với chiều dài xấp xỉ chiều dài ô tô, nối hai đầu xà ngang phía trước (2) phía sau (3) Khung trung tâm làm hai dầm ngưỡng cửa (4) kết nối với với khung tích hợp số xà ngang Trong khu vực khoang hành khách khoang hành lý, kết cấu ốp tôn sàn (7) Đây giải pháp trung gian loại sàn có khung xe du lịch thân xe chịu tải hoàn tồn sau Phần sàn thường có mái vòm cho trục truyền lực ống xả Loại có độ cứng vững lớn có trọng lượng lớn, thường dùng cho xe SUV hay xe bán tải có thân xe chịu tải Hình 9.12: Sàn chịu lực với khung tích hợp Đế chịu lực với khung trung tâm dầm nửa trước sau giải pháp gần với giải pháp nguyên tắc (hình 9.13) Hình 9.13: Sàn chịu lực với khung trung tâm bán dầm dọc trước/sau Giải pháp phát triển từ giải pháp trước cách loại bỏ thành viên bên khung tích phân khu vực sàn khoang hành khách Các thành phần điển hình cấu trúc hình 9.13 là: (1) Xà ngang trước (2) Dầm nửa phía trước sàn khoang hành khách đến xà ngang hàng ghế trước (3) Xà dọc bên khung trung tâm (xà bậc cửa) (4) Dầm nửa phía - sau (5) Xà ngang hàng ghế trước (6) Xà ngang hàng ghế sau (7) Liên kết xà ngang (8) Xà ngang vỏ bánh sau (9) Xà ngang phía sau (10) Giá đỡ hệ thống treo trước (11) Giá đỡ hệ thống treo sau (12) Sàn khoang hành khách (13) Sàn khoang hành lý Giữa nửa dầm phía trước đặt xà ngang gối đỡ hệ thống treo thành trước khoang hành khách Sàn chịu lực với khung trung tâm, dầm nửa phía trước phía sau vách trung tâm: giải pháp kết cấu sử dụng nhiều Các thành phần tiêu biểu của cấu trúc (hình 9.14): Hình 9.14: Sàn chịu lực với khung trung tâm bán dầm dọc trước/sau vách trung tâm (1) Xà ngang trước (2) Dầm nửa phía trước sàn khoang hành khách đến tà vẹt 7, chí (3) Xà dọc bên khung trung tâm (bậc cửa) (4) Dầm nối nửa dầm trước bệ cửa Xà ngang thực cách tăng gấp đôi sàn khu vực bàn đạp, để bảo vệ chân người lái hành khách phía trước Có thể có kết nối bố trí phía trên, nửa dầm trước cột A (5) Xà ngang nối nửa dầm phía trước, phía vách trung tâm (6) Đường vách trung tâm (7) Xà ngang hàng ghế trước (8) Xà ngang nối ngưỡng cửa, vùng trụ B (9) Xà ngang ghế sau (10) Bán dầm dọc phía sau (11) Xà ngang vỏ bánh sau (giữa giá đỡ hệ thống treo) (12) Xà ngang phía sau (13) Gối tựa hệ thống treo trước (14) Gối tựa hệ thống treo sau (15) Sàn khoang hành khách (16) Sàn hành lý Việc sử dụng vách trung tâm bố trí dọc theo sàn khoang hành khách cần thiết để bố trí truyền động đến cầu sau cho xe kiểu “cổ điển” 4x2 4x4 Giải pháp kết cấu sử dụng nhiều xe "tất phía trước", đường vách trung tâm dùng cho đường ống xả xe trang bị loại hộp số 4x4 Vách trung tâm vách phía trước khoang hành khách kết thúc xà ngang ghế sau, vùng mà sàn khoang hành khách nâng lên ngang sàn khoang hành lý sau Vách trung tâm có hình dạng giống dầm hình chữ U dọc bố trí dọc sàn khoang hành khách góp phần tăng độ cứng cho sàn, vách kết nối với ngưỡng cửa số xà ngang kết nối số trường hợp, bên vách này, dạng xà ngang liên kết 10 - Sàn chịu lực với khung trung tâm nửa dầm phía trước: đặc trưng cho số thân xe với phần thùng phía sau ngắn khơng có bán dầm dọc sau, khoang hành lý sau ngắn làm giống hộp (hình 9.15) Loại sản chịu lực sử dụng cho số thân xe nhỏ, (phân khúc A), kiểu hai khoang Các bán dầm dọc phía trước kết nối với dầm ngưỡng cửa kết nối với sàn chịu lực trình bày Hình 9.15: Sàn chịu lực với khung trung tâm bán dầm dọc trước Sàn chịu lực có vai trị khơng nhỏ việc tăng độ cứng toàn thân xe Chọn kiến trúc kết cấu chịu lực sàn hiệu tốt giảm trọng lượng thân xe khả giảm độ dày phần tử sử dụng việc thiết kế thân xe 9.1.4 Kết cấu khoang hành khách thân xe du lịch Khoang hành khách khơng gian đặc biệt dành cho hành khách, ngồi điều kiện công thái học độ thoải mái tốt, phải đảm bảo an tồn tốt cho người lái hành khách Biến dạng trường hợp va chạm lật xe, phải nhỏ tốt, trường hợp xảy tai nạn tiêu chuẩn, biến dạng cấu trúc khoang hành khách phải đảm bảo khơng gian sống sót tối thiểu, người lái xe hành khách bảo vệ nhiều Khoang hành khách bao gồm phận sau thành phần: Sàn, vách bên, mui xe, vách phía trước vách phía sau Sàn khoang khách: (hình 9.16) phận cấu thành sàn chịu lực, trường hợp thân xe chịu tải Như trình bày phần trước, hầu hết thân ô tô du lịch có khu vực trung tâm sàn khoang hành khách, vách hầm để chứa truyền động đường ống thải Vách hầm vách tường phía trước khoang hành khách kết thúc khu vực sàn hàng ghế sau Vách hầm kết nối với ngưỡng cửa thơng qua xà ngang có vai trị tăng cứng kết cấu sàn, cho phép lắp ráp ghế ngồi cải thiện sức bền cấu trúc tác động bên hông xe Tiết diện hộp xà ngang tạo thành mối hàn điểm xà ngang sàn (hình 9.17) 73 tích khí động học, nhiệt, v.v FEM phương pháp sử dụng rộng rãi nghiên cứu thiết kế xe cộ Một tốn phân tích FEM, bao gồm: Thực mơ hình hình học kết cấu Độ phức tạp độ xác mơ hình hình học quan trọng để thu mơ hình phần tử hữu hạn cách xác (hình 9.137) Hình 9.137: Dạng hình học kết cấu thân xe Xây dựng liệu vật liệu cho thành phần cấu trúc Hầu hết ứng dụng CAD/CAE có thư viện vật liệu sử dụng có khả xác định đặc tính loại vật liệu khác Định dạng mơ hình phần tử hữu hạn (hình 9.138) Xác định loại phần tử hữu hạn mật độ sử dụng có ảnh hưởng lớn đến sai số tính tốn Với số lượng EF sử dụng lớn sai số tính tốn nhỏ Tuy nhiên, giá trị định phần tử, lỗi tính tốn nằm giới hạn chấp nhận được, tăng số lượng phần tử lên không cần thiết Xác định điều kiện điểm tựa, gối đỡ cấu trúc, điều kiện ban đầu Xác định tác động lên kết cấu (lực, mômen, áp suất, khối lượng tập trung, gia tốc, v.v.) Tính tốn giải hệ phương trình mơ tả hoạt động mơ hình phần tử hữu hạn cho loại phân tích thực Biểu diễn kết qua đồ họa giải thích kết thu Hình 9.138: Mơ hình chia lưới phần tử kết cấu xe 9.7.2 Tác động tĩnh động lên thân xe điều kiện bình thường Thân xe giá đỡ mà tất cụm, hệ thống xe gắn vào, vậy, xe hoạt động đường điều kiện bình thường, tải trọng tác dụng lên thân xe bao gồm trọng lượng cụm hệ thống, hoạt động cụm đặc biệt chuyển động xe đường Tất nhiên, ứng suất biến dạng thân xe tình tải trọng khác nhau, phụ thuộc vào phương thức gắn gối/khớp cầu trước cầu sau lên thân xe (giải pháp kết cấu cầu hệ 74 thống treo) tình chịu lực khác thân xe (vị trí xe kích, thang nâng xe bị kéo) a) Giá đỡ thân xe trục bánh xe hệ thống treo: Các giải pháp kết cấu trục bánh xe hệ thống treo mà thân xe đặt có ảnh hưởng đến phương thức tác động lực mômen truyền từ mặt đường, xác định cách phản lực điểm đặt trục bánh xe, hệ thống treo tác dụng lên thân xe tính tốn Ví dụ, hình 9.139, phản lực khớp lắp thân xe hệ thống treo McPherson, lên thân xe trường hợp xe chịu tác động dọc tác động bên điểm tiếp xúc bánh xe đường Hình 9.139 Các lực tác động vào khớp hệ thống treo McPherson chịu tải dọc tải bên điểm tiếp xúc mặt đường Các lực kết nối trục, hệ thống treo thân xe xác định cách dễ dàng, áp dụng phương trình cân tĩnh vật thể rắn trục bánh xe Cũng ứng dụng phần mềm chuyên dụng để phân tích hệ nhiều vật trường hợp Tiếp theo, với trợ giúp lược đồ biểu diễn đồ họa đơn giản dầm cầu McPherson dầm cầu có tay địn khơng đồng đều, xác định phản lực khớp nối với thân xe dầm cầu Trong trường hợp dầm cầu McPherson, có lực theo phương dọc X tác động điểm tiếp xúc bánh xe mặt đường, phản lực khớp hệ thống treo Rs khớp cầu Ras, (hình 9.140a): 𝑟−𝑎 𝑅𝑠 = ( )𝑋 ℎ 𝑟−𝑎 𝑅𝑎𝑠 = ( + 1) 𝑋 ℎ Phản lực khớp cầu truyền đến hai khớp tay đòn Phản lực dọc khớp xác định tính đến độ cứng hai khớp Nói chung, số chúng thiết kế cứng để đảm nhiệm hầu hết thành phần dọc phản lực khớp Vì khớp cứng nhiều so với khớp (hình 9.140b): Ras = R1ax + R2ax, R1ax >>R2ax 75 khớp bán cứng khớp cứng Hình 9.140: Các lực tác động vào khớp dầm McPherson có lực dọc chỗ tiếp xúc bánh xe mặt đường Các thành phần bên phản lực khớp tay đòn có hướng ngược nhau: 𝑅1𝑎𝑦 = 𝑏 𝑅2𝑎𝑦 = 𝑑 𝑅𝑎𝑠 Trong trường hợp chịu lực ngang Y tác dụng chỗ tiếp xúc mặt đường, phản lực khớp treo Rs khớp cầu Ras tính (hình 9.141a): 𝑟−𝑎 𝑅𝑠 = ( )𝑌 ℎ 𝑟−𝑎 𝑅𝑎𝑠 = ( + 1) 𝑌 ℎ Phản lực khớp cầu truyền đến khớp tay đòn dầm, tổng phản ứng khớp là: 𝑅a = 𝑅as Phản ứng phân bố hai khớp (hình 9.141b): 𝑑2 𝑑1 𝑅1𝑎𝑦 = 𝑅𝑎𝑠 ; 𝑅2𝑎𝑦 = 𝑅𝑎𝑠 𝑑 𝑑 Hình 9.141: Lực tác động vào khớp dầm McPherson trường tác động ngang điểm tiếp xúc mặt đường 76 Trong trường hợp lực Z có phương thẳng đứng tác dụng điểm tiếp xúc mặt đường, thành phần thẳng đứng phản ứng khớp hệ thống treo Rs khớp cầu Ras, (hình 9.142): 𝑅sz = 𝑍, 𝑅az = Các thành phần bên phản lực khớp hệ thống treo cánh tay địn có hướng ngược chiều nhau: 𝑒 𝑅𝑠𝑦 = 𝑅𝑎𝑦 = 𝑍 ℎ Phản lực khớp cánh tay đòn phân bố hai khớp R1az R2az Hình 9.142: Các lực tác động vào khớp dầm McPherson trường hợp phản lực thẳng đứng chỗ tiếp xúc Trong trường hợp trục có tay địn khơng nhau, có lực theo phương Z thẳng đứng tác động điểm tiếp xúc mặt đường, thành phần phản lực khớp treo Rs khớp đòn tay R1az, R2az, (hình 9.143): 𝑏 𝑏 𝑅𝑠 = 𝑍; 𝑅1𝑎𝑧 = ( − 1) 𝑍; 𝑅2𝑎𝑧 = 𝑐 𝑐 Các thành phần phản lực ngang có chiều ngược nhau: 𝑒 𝑅1𝑎𝑦 = 𝑅2𝑎𝑦 = 𝑍 𝑑 Hình 9.143: Các lực tác động vào khớp dầm có địn khơng trường hợp phản lực thẳng đứng điểm tiếp xúc mặt đường 77 Với kích thước điển hình dầm McPherson dầm có địn khơng đồng đều, thấy trường hợp tải trọng thẳng đứng điểm tiếp xúc, dầm có địn, phản lực tác dụng lên thân xe lớn so với phản lực hệ McPherson, phản lực khớp treo cao 40% (hình 9.144) Tất nhiên, loại dầm hệ thống treo dùng cho xe có tác động đến bố trí chung xe giải pháp kết cấu thân xe Hình 9.144: So sánh phản lực tác động lên thân xe hệ McPherson hệ dầm địn khơng đồng đều, chế độ phản lực mặt đường Z b) Tải trọng tĩnh thân xe Tải trọng tĩnh lên thân xe trọng lượng cụm, hệ thống đặt thân xe (nhóm động cơ, hệ thống nhiên liệu, hệ thống xả, lái phanh đặt thân xe, thiết bị điện, linh kiện nội thất thành phần đóng mở thân xe), trọng lượng hành khách trọng lượng hành lý hàng hóa vận chuyển Tất nhiên, tự trọng thân xe phải tính đến khơng tính đến trọng lượng khơng treo (trục hệ thống treo, bánh xe, phần hệ thống phanh lái) Tất trọng lượng phân bố cấu trúc thân xe dạng lực dạng khối lượng tập trung hay phân bố Các tải trọng tĩnh tác động lên thân xe theo phương thức khác trường hợp sau: Xe đỗ: trường hợp thân xe tựa giá đỡ hệ thống treo Vì phân bố tải trọng gần đối xứng với mặt phẳng dọc thân xe nên biểu diễn theo dạng dầm gối tựa (hình 9.145), từ có sơ đồ phân bố lực cắt moment uốn dọc thân xe Các tải trọng làm uốn cong thân xe, từ việc phân tích sơ đồ, biết vùng có mômen uốn cực đại (lực cắt không) Xe nâng lên kích: thân xe nằm giá đỡ hệ thống treo bên giá đỡ kích thân xe bên Sự khơng đối xứng hệ thống gối đỡ dẫn đến tượng xoắn kết cấu Xe nâng lên thang xe nâng: trường hợp này, thân xe nâng thang Tính đối xứng hệ thống nâng làm cong cấu trúc 78 Hình 9.145: Biểu đồ lực cắt mô men uốn thân xe Xe vận chuyển xe sàn kéo cách nâng cầu với xe cần trục, trường hợp này, cách thức đặt phận hạn chế sàn kéo cách nâng cầu trục có ảnh hưởng lớn đến phản lực Tất nhiên, phương tiện vận tải kéo dẫn đến tải động c) Tải trọng động thân xe di chuyển đường Hoạt động cụm xe chuyển động xe đường làm xuất tải trọng động, dạng tải động tức thời tải trọng lâu dài ảnh hưởng đến cấu trúc thông qua tượng mỏi Quá tải động tức thời, có độ lặp lại thấp, thời gian ngắn, có biên độ cao (bậc 104N), so với tải trọng tĩnh Những tải trọng xảy điều khiển xe đường có độ mấp mơ lớn (ổ gà, lồi lõm, lề đường, v.v.), trường hợp tăng tốc phanh gấp đột ngột, trường hợp quay vòng ngoặt, di chuyển tình trạng khơng đường, trường hợp có moment xoắn lớn nhóm động cơ, hoạt động dịch vụ vận chuyển, nâng xe sàn kéo, thang nâng, Thông thường, giai đoạn thiết kế, tải trọng động Pdin tức thời coi với ứng suất tĩnh Pst nhân với hệ số tải động mdin: Pdin = mdin.Pst Nếu a coi gia tốc khối lượng treo xe, tính: a = mdin.g Hệ số tải động mdin cho tình tải trọng khác xác định thực nghiệm Tải động thân xe xảy di chuyển xe điều kiện mơi trường khác nhau, ví dụ gió ngang, tải trọng dạng lực khí động phân bố bề mặt tương ứng với thân xe Những tải trọng có tác dụng làm biến dạng uốn và/hoặc xoắn kết cấu 79 Các tải trọng ảnh hưởng đến kết cấu mỏi, có độ lặp lại cao (khoảng 104 đến 105 chu kỳ), có biên độ thấp (khoảng 103N) Tải trọng loại xảy điều khiển xe đường có độ mấp mô vừa nhỏ, đường lát đá khối, trình vận chuyển phương tiện sàn kéo cách nâng cầu xe cần trục hay rung động hoạt động động phận khác Các tải trọng có tác dụng làm hư hỏng khu vực cứng vững cấu trúc, xuất lan truyền vết nứt Thông thường, người ta xem xét số chu kỳ khoảng cách di chuyển xe vết nứt xuất vết nứt bắt đầu lan truyền có giới hạn Nhà thiết kế cần biết trường hợp tải trọng làm hỏng cấu trúc nghiêm trọng, để đảm bảo cấu trúc không "rơi" thời gian hoạt động tốt tải động đảm bảo khả chống mỏi đạt yêu cầu Các trường hợp điển hình tải trọng động xác định tương tác bánh xe mấp mô mặt đường truyền đến thân xe thông qua trục khớp treo loại hình sau: Tải trọng thẳng đứng đối xứng: Loại tải trọng xảy hai bánh xe vấp phải mấp mô mặt đường gây uốn thân xe mặt phẳng dọc thẳng đứng Tải trọng trọng lượng cụm xe, tự trọng thân xe, trọng lượng hành khách hành lý trọng lượng hàng hóa vận chuyển (trọng lượng treo GS), khuếch đại hệ số tải trọng động lực mdin tương ứng: Pdin = mdin.GS Hệ số tải trọng động trường hợp tải đối xứng theo chiều dọc mdin = (2 – 3), thường sử dụng mdin = Nếu xe thiết kế cần hệ thống treo cứng di chuyển đường mấp mô lớn mặt đất có hệ số tải trọng động cao hơn: mdin = - 2,5 ô tô xe buýt mdin = xe tải mdin = xe địa hình Trong tính tốn thực phương pháp phần tử hữu hạn, trọng lượng kết cấu với tải trọng hữu ích trọng lượng treo Có thể mô chế độ tải trọng đối xứng theo phương thẳng đứng cách cố định cấu trúc giá đỡ hệ thống treo chịu gia tốc thẳng đứng, a = mdin·g Trong trường hợp giới hạn, coi trường hợp cấu trúc thân xe đặt giới hạn hành trình trục bánh xe Tải trọng không đối xứng theo phương thẳng đứng: Loại tải trọng xảy bánh xe gặp phải mấp mơ khơng đồng mặt đường (hình 9.146) có tác dụng làm xoắn kết cấu Trong tình có uốn nhẹ khơng đáng kể Hình 9.146: Tải trọng khơng đối xứng thẳng đứng 80 Mômen xoắn MT gây khác biệt tải trọng bánh xe trái phải, Rs Rd: MT = (Rs – Rd).B/2 Với tải trọng trục trước là: Ppf = Rs + Rd Từ quan hệ nhận được: Rs = Ppf/2 + MT/B Rd = Ppf/2 - MT/B Mô-men xoắn đảm nhận hệ thống treo trước sau có độ cứng KF KS, cấu trúc thân xe có độ cứng xoắn KT, phận bị biến dạng với tổng góc xoắn φ Vì thế: MT = K.φ, Trong K độ cứng tổng cộng: 1/K = 1/KF + 1/KT + 1/KS Đối với giá trị nhỏ, góc xoắn tính gần đúng: φ ~ h/B Như vậy, có tải trọng bánh xe theo độ mấp mô đường: Rs = Ppf/2 + Kh/B2, Rd = Ppf/2 - Kh/B2 Quan sát thấy bánh xe bên trái leo lên mấp mô, làm tăng tải bánh trái, lại làm giảm tải bánh xe bên phải, thời điểm bánh xe tách khỏi mặt đất Rd = (hình 9.147) Sự nâng bánh xe h: độ cao mấp mơ mặt đường Hình 9.147: Biến đổi Rs Rd theo độ cao mấp mô mặt đường Chiều cao tối đa độ mấp mô không gây tách rời bánh xe khỏi mặt đường là: 𝑃𝑝𝑓 − 𝐾ℎ𝑚𝑎𝑥 𝐵2 = 0, từ đó: 𝑃𝑝𝑓 𝐵2 𝑃𝑝𝑓 𝐵2 1 ℎ𝑚𝑎𝑥 = = ( + + ) 2𝐾 𝐾𝐹 𝐾𝑇 𝐾𝑆 Giá trị lớn mômen xoắn không gây lực nâng bánh xe: Mmax = Ppf.B/2 = Kφmax ~ Khmax/B Thân xe có độ cứng cao nhiều so với độ cứng hệ thống treo, ảnh hưởng đến giá trị chiều cao lớn độ mấp mô mặt đường không gây tách rời bánh xe Trong trường hợp này, thông số 1/KT độ cứng tổng cộng K bỏ qua Trong trường hợp xe có hệ thống treo cứng (ví dụ, số xe tải nặng), phép phương tiện di chuyển đường với độ mấp mô lớn hơn, mà bánh xe không tiếp xúc với mặt đường, cần giảm độ cứng khung xe Ngược lại, trường hợp xe bồn (xi téc) yêu cầu độ cứng khung cao độ cứng hệ thống treo nên thấp Đối với ô tơ du lịch với hệ thống treo có độ cứng thấp, để giá trị hmax lớn, hệ thống treo va vào hạn chế hành trình số trường hợp có độ mấp mơ đường nhỏ hmax Trong trường hợp này, tải trọng bất đối xứng phải tác dụng trực tiếp vào hạn chế hành trình chúng cứng nhiều so với lò xo hệ thống treo 81 Các nghiên cứu cho giá trị chiều cao tối đa độ mấp mô đường mà không làm nâng bánh xe khỏi mặt đất hmax = 0,2m Nhiều xe có điểm hạn chế hành trình từ 0,2 m trở xuống Trường hợp bất lợi tải trọng không đối xứng theo phương thẳng đứng hai bánh xe đường chéo mấp mơ bánh xe theo đường chéo cịn lại bị rời khỏi mặt đất (hình 9.148) Hình 9.148: Trường hợp bất lợi tải trọng không đối xứng Trong tình xoắn túy này, hai trục bị xoắn với mômen xoắn ngược nhau, chúng phải cân với nhau: Mpfmax = Ppf.Bpf/2; Mpsmax = Pps.Bps/2 Mmax = Mpfmax = Mpsmax, từ đó: Mmax = Ppf.Bpf/2 = Pps.Bps/2 Trong đó: Mpfmax Mpsmax mômen lớn không làm nâng bánh xe trục trước trục sau lên Ppf Pps: tải trọng trục trước sau Bpf Bps: vết bánh xe trục trước sau Mômen xoắn cực đại Mmax tính tốn với tải trọng lên trục nhỏ Ví dụ, trường hợp tơ du lịch, vết bánh xe trước sau gần tải trọng cầu trước Ppf cao chút so với tải cầu sau Pps tải trọng tối đa Do đó, cơng thức trên, Pps tải trọng cầu sau cho tình tải tối đa, Ppf nhỏ chút so với tải trọng cầu trước trường hợp tương tự tải trọng, để hai mômen cân Và trường hợp tải không đối xứng theo phương thẳng đứng, tốc độ di chuyển cao xe, cần phải tính đến việc bánh xe lên mấp mô trạng thái động lớn, mơmen phải tính đến hệ số tải trọng động Trong trường hợp ứng suất không đối xứng theo phương thẳng đứng, hệ số tải trọng động chọn: mdin = 1,3, phương tiện đường (ô tô du lịch, xe buýt xe tải) mdin = 1,5, xe tải tình trạng khơng đường mdin = 1,8, xe địa hình 82 Có thể mơ chế độ tải trọng đối xứng thẳng đứng cách đặt cấu trúc thân xe theo bệ đỡ hệ thống treo đường chéo, bệ đỡ phía đường chéo lại để tự với gia tốc thẳng đứng a = mdin·g Trong trạng thái giới hạn, xem cấu trúc thân xe đặt hạn chế hành trình trục bánh xe, nằm đường chéo Tải trọng ngang: Các tải trọng xảy xe quay vòng, với lực ly tâm Fc = MV2/r, cân phản lực điểm tiếp xúc mặt đường (hình 9.149) Có ba loại tải trọng ngang đạt đến giá trị giới hạn: (1) Sự trượt ngang bánh xe (2) Mất ổn định lật ngang (3) Va chạm vào lề đường Hình 9.149: Tải trọng ngang xe quay vòng (1) Trong trường hợp trượt ngang, tổng lực bên bánh xe Y bị giới hạn bám: Ymax = φy.Mg Trong đó: φy hệ số bám ngang; M - khối lượng toàn xe g - gia tốc trọng trường Gia tốc trượt ngang là: al = φy.g Thơng thường, tính tốn coi al = 0,75g Dưới tác dụng lực ngang, kết cấu xe chịu uốn mặt phẳng XOY Để tính tốn xác hơn, cần xem gia tốc ngang phân bố khối lượng cụm xe không tập trung trọng tâm xe (2) Sự ổn định lật ngang xe: xảy thời điểm phản lực phía tâm quay vịng, Ri = 0, tồn trọng lượng xe tiếp nhận phản lực phía ngoài, Re = Mg Kết quả: hg.M.V2/r = MgB/2 Trong đó: hg chiều cao trọng tâm xe B – vết bánh xe r - bán kính quay vịng V - tốc độ di chuyển Gia tốc bên al là: al = V2/r = gB/2hg Tổng lực ngang bánh xe trước bánh sau phía ngồi là: 𝑀𝑔𝐵 𝑀𝑔𝐵 𝑏 𝑀𝑔𝐵 𝑎 𝑌= ; 𝑌𝑒𝑓 = ; 𝑌𝑒𝑓 = 2ℎ𝑔 2ℎ𝑔 𝑎 + 𝑏 2ℎ𝑔 𝑎 + 𝑏 Giá trị gia tốc ngang thu trường hợp bánh xe bên tâm quay vịng nhơ lên khỏi mặt đất (Ri = 0) khó xác định theo điều kiện bình thường Trong trường hợp tô du lịch thông thường, lấy B ~ 1550 mm hg ~ 520 mm, thu al ~ 1,49g Giá trị không đạt hạn chế độ bám ngang, vậy, tính toán thường chọn al ~ 0,75g (3) Nếu lề đường bị bánh xe phía ngồi va vào quay vòng hay trượt ngang, lực ngang đạt giá trị cực đại đồng thời bánh xe phía đối diện lề đường nhấc lên khỏi mặt đất 83 Lực ngang lực tác động, khoảng thời gian ngắn Trong tính tốn, lực ngang coi là: 𝐹𝑙𝑎𝑡 = 𝑀𝑔𝐵 2ℎ𝑔 𝑚𝑑𝑖𝑛 Sự phân bố lực lên bánh trước bánh sau theo quan hệ Yef Yes Giá trị hệ số tải trọng động nhà thiết kế khác đề nghị mdin = 1,75 mdin = 1,4 Tải trọng dọc: Những tải trọng xuất trường hợp xe khởi hành, xảy cú sốc đóng ly hợp, kéo xe, phanh bánh trước xe va vào chướng ngại vật (1) Gia tốc dọc gây khởi động cú sốc ly hợp đóng nhỏ nhiều so với trường hợp phanh Vì lý này, tác động dọc khơng tính đến (2) Kéo xe gây tải trọng dọc cho xe có hệ thống kéo So với tải trọng tĩnh xảy tình này, tính tốn, tải trọng động tính với hệ số động mdin = 1,5 Tùy thuộc vào cách kéo xe, tải trọng thẳng đứng xảy thân xe (ví dụ, trường hợp kéo cách nâng trục xe) (3) Sự giảm tốc độ phanh bị giới hạn độ bám, hệ số động chọn là: mdin = 0,75, xe tải (af = 0,75g) mdin = 1,1, loại xe khác (af = 1,1g) (4) Xe va vào chướng ngại vật hai bánh trước gây phản lực F, tác dụng lên bánh xe có phương hướng tâm bánh xe, thành phần theo hướng ngang dọc (hình 9.150): Hình 9.150: Tải trọng dọc bánh xe va vào chướng ngại FH = F.sinφ; FV = F.cosφ 𝑠𝑖𝑛𝜑 = 𝑅−ℎ 𝑅 ℎ = − 𝑅; từ đó: FH = FV/tanφ Nếu xem FV tải trọng tĩnh thẳng đứng bánh xe, tải trọng dọc động tác động lên bánh xe là: FH =mdinFV/tanφ Hệ số tải trọng động trường hợp chọn mdin = 4,5 Tải trọng kết hợp: Trong tính tốn, tải trọng tổng hợp xảy thực tế phân tách thành trường hợp lý tưởng hóa riêng biệt, kết sau kết hợp lại với Trường hợp thường gặp thân xe vừa chịu tải trọng uốn xoắn đồng thời, lúc bánh xe trục trước bị nhấc lên khỏi mặt đường, bánh cịn lại chịu tồn tải trục trước, bánh sau bên phải giảm tải bên trái tăng tải (hình 9.151) 84 Hình 9.151: Tải trọng kết hợp tác dụng lên thân xe 9.7.3 Đánh giá sức bền thân xe Các ứng suất xuất cấu trúc thân xe tác động ứng suất tĩnh động điều kiện hoạt động bình thường, không làm ảnh hưởng đến chức thành phần thân xe Sự chức thành phần xảy ứng suất vượt giới hạn ứng suất chảy vật liệu, xô lệch số thành phần, phá vỡ phần tử lắp ráp (điểm hàn, phần tử lắp ráp khí, chất kết dính, v.v.) mỏi vật liệu xuất vết nứt thân xe Nói chung, yêu cầu điều kiện tải trọng động cao nhất, ứng suất hiệu dụng lớn kết cấu không vượt 2/3 ứng suất chảy σc vật liệu, tức ứng suất cho phép tính với hệ số an tồn C = 1,5: 𝜎𝑐 𝜎𝑐 𝜎𝑒𝑓𝑚𝑎𝑥 ≤ = = 𝜎𝑐 𝐶 1,5 9.7.4 Đánh giá độ cứng vững thân xe Chất lượng cấu trúc thân xe đánh giá từ số quan điểm: sức bền tải trọng tĩnh động, sức bền mỏi, độ cứng vững, trọng lượng, khả chịu rung động, khả chịu va đập, khả chống ăn mịn, v.v Ở trình bày đến độ cứng vững trọng lượng thân xe Độ cứng vững đặc điểm quan trọng thân xe có ảnh hưởng lớn đến khả dẫn hướng, ổn định, hoạt động xác cụm lắp ráp thân xe khả chịu rung thân xe Nhiều nhà thiết kế coi độ cứng vững quan trọng sức bền thiết kế cấu trúc thân xe đủ bền, không đủ độ cứng vững Điều quan trọng tác động tải trọng lớn xảy hoạt động, cấu trúc thân xe không biến dạng nhiều làm thay đổi hình dạng trục bánh xe, cửa khơng mở được, kính chắn gió bị vỡ, v.v Ví dụ, khu vực gắn khớp liên kết với trục bánh xe thân xe khơng có biến dạng lớn 1-2 mm Ngoài ra, độ cứng vững thấp thân xe dẫn đến xuất rung giật điều khiển xe đường a) Độ cứng xoắn Độ cứng xoắn đặc trưng quan trọng cấu trúc thân xe Xoắn thân xe xảy số trường hợp tác động thẳng đứng không đối xứng xảy xe di chuyển đường không phẳng bánh xe trúc khơng bị kích động đồng thời, xe đỗ mặt đất khơng phẳng, có bánh xe bị leo lên chỗ gồ ghề, xe nâng lên kích Ví dụ, độ cứng thân xe thấp dẫn đến biến dạng khung cửa làm kẹt cửa gây ứng suất cho kính cố định thân xe (kính chắn gió, cửa kính sau, cửa sổ bên) dẫn đến bị nứt Đồng thời có dao động xoắn thân xe xuất tần số thấp Độ cứng xoắn thân xe đánh giá hệ số: 85 𝐾𝑇 = 𝑀𝑇 𝜑 [Nm/độ] Trong đó: MT [Nm] mô men xoắn tác dụng lên thân xe trục dọc xe, giá trị phải chọn cho ứng suất xuất kết cấu không vượt ứng suất chảy vật liệu (hình 9.152a) φ [độº] - góc xoắn kết cấu tác dụng mô men xoắn áp dụng Mô men xoắn áp dụng cặp ngẫu lực xoắn giá đỡ hệ thống treo trước, khóa giá đỡ hệ thống treo sau (hình 9.152b) Hình 9.152: Xác định hệ số độ cứng xoắn MT = F.L; 𝑡𝑔𝜑 = 2𝑑 𝐿 ; 𝐾𝑇 = 𝑀𝑇 𝜑 = 𝐹.𝐿 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑔( 2𝑑 ) 𝐿 Trong đó: F[N]: ngẫu lực đặt điểm đỡ hệ thống treo L[m]: tay đòn ngẫu lực F d[m]: chuyển vị điểm đặt lực F Hệ số độ cứng xoắn đánh giá cách khóa cứng hệ thống treo sau gối đỡ hệ thống treo trước, lực thẳng đứng áp dụng gối đỡ tự (hình 9.152c) Trong trường hợp này: MT = F.L; 𝑡𝑔𝜑1 = 𝑑1 𝐿 ; 𝐾𝑇 = 𝐹.𝐿 𝑑 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑔( 1) 𝐿 Độ cứng xoắn thùng xe tăng lên nhiều (lên đến 40%) sau lắp cố định kính chắn gió cửa kính sau vào thân xe Do đó, nhiều trường hợp, hệ số độ cứng xoắn đánh giá có kính lắp ghép Để đảm bảo tính ổn định chuyển động dẫn hướng tốt, độ cứng xoắn tốt cấu trúc thân xe phải lớn độ cứng lắc ngang hệ thống treo Giá trị độ cứng xoắn thân xe chịu tải ô tô du lịch là: - Thân xe kiểu sedan: 12.000-18.000 Nm/độ - Thân xe kiểu hatchback: 10.000-14.000 Nm/độ - Thân xe kiểu stil breack: 10.000-14.000 Nm/độ - Thân xe kiểu thùng Van: 10.000-12.000 Nm/độ - Thân xe kiểu mui trần có độ cứng xoắn thấp thiếu mui che, độ cứng xoắn đạt giới hạn bình thường cách gia cố đặc biệt 86 Các thân xe du lịch thường có độ cứng xoắn khoảng 6.000-10.000 Nm/độ, có độ cứng xoắn đạt tới 24.000 Nm/độ Loại xe Bugatti Veyron với độ cứng xoắn cao 60.000 Nm/độ Trong trường hợp thùng xe hai phần (sàn khung thùng), tổng độ cứng cấu trúc phụ thuộc vào độ cứng sàn khung độ cứng thùng, mà phụ thuộc vào độ cứng nén cắt mối ghép hai cấu trúc (hình 9.153) b) Độ cứng uốn Độ cứng uốn đặc trưng cho biến dạng kết cấu trường hợp tải đối xứng, xảy tình có chướng ngại vật đường tiếp xúc đồng thời bánh xe, kéo xe cách nâng cầu xe v.v Trong trường hợp ô tô du lịch, độ cứng uốn q nhỏ ảnh hưởng đến hoạt động xác hệ thống truyền lực, gây biến dạng khung cửa làm cửa bị kẹt đóng cửa khơng xác xảy biến dạng sàn chân hành khách (gây cảm giác khó chịu) điểm lắp ghế cụm lắp ráp phụ khác Đồng thời chế độ dao động uốn thân xe xuất tần số thấp Độ cứng xoắn thân xe KT [Nm/độ] Gối đỡ giảm xóc mềm Độ cứng xoắn cấu trúc Độ cứng nén Kc Độ cứng xoắn khung gầm Độ cứng cắt Kf Độ cứng nén gối đỡ giảm xóc, K [N/m] Hình 9.153: Ví dụ độ cứng xoắn thùng xe du lịch kiểu sàn chịu tải Độ cứng uốn đánh giá theo chế độ tải trọng tĩnh thân xe, có tính đến hệ số động (xem mục 9.7.2c.), chế độ biến dạng thẳng đứng đối xứng điểm gần chiều dài sở, thân xe tựa hệ thống treo trước sau Một phương pháp đơn giản chế tải trọng tĩnh đối xứng, dùng lực áp dụng chiều dài sở, tạo biến dạng lớn Trong nhiều trường hợp, tải trọng đối xứng áp dụng hai vị trí, khu vực điểm R ghế trước (hình 9.154) Độ cứng uốn đánh giá hệ số: KI = F/δ Trong đó: F [N] hợp lực đối xứng tác dụng lên vật, cho ứng suất sinh kết cấu vượt ứng suất chảy vật liệu δ [mm] - biến dạng uốn lớn kết cấu tác động lực tác dụng Giá trị độ cứng uốn thông thường cho thân xe ô tô du lịch nằm khoảng 5000-8000 N/mm, có thân xe với độ cứng từ 3000-5000 N/mm đạt đến giá trị 10500 N/mm Hiện nay, nhiều nhà thiết kế đạt độ cứng uốn lớn 7000-10000 N/mm 87 Hình 9.154: Xác định hệ số độ cứng uốn c) Hệ số độ nhẹ kết cấu Độ cứng thân xe lớn đạt thơng qua mức độ sử dụng vật liệu cao hơn, định khối lượng thân xe lớn Kích thước khối lượng cấu trúc thân xe cung cấp thông tin thân xe nhẹ nặng loại phương tiện mà thiết kế Mật độ thân xe số đánh giá tốt mức độ sử dụng vật liệu để có kết cấu nhẹ Mật độ chế tạo thân xe tính theo mối quan hệ: DC = mC/VC, đó: mC [Kg]: khối lượng kết cấu thân xe VC [m3]: thể tích thân xe Tuy nhiên, giá trị mật độ đánh giá mức độ mà kết cấu thân xe có độ cứng tốt Để giảm trọng lượng thân xe, sử dụng vật liệu tốt (độ dày nhỏ, có vât liệu gia cố, v.v.) dẫn đến giảm độ cứng thân xe, vậy, cần dùng số vừa tính đến mức độ sử dụng vật liệu mức độ kiến trúc kết cấu thân xe có độ cứng tương ứng Vì vậy, thơng số được đánh giá cao chất lượng độ nhẹ cấu trúc thân xe Chỉ số xác định: KU = KT.A/mC [Nm/Kg.độ] Trong đó: KT [Nm/độ]: hệ số độ cứng xoắn A [m2]: diện tích hình chiếu xe (chiều dài sở x vết bánh xe) mC [Kg]: khối lượng kết cấu thân xe Đối với ô tô du lịch, giá trị thông thường số từ 150-250 [Nm/Kg độ], xu hướng ngày cao lên Trong số cơng trình chun ngành nhân tố chất lượng độ nhẹ kết cấu xác định: L = 1/KU = mC/KT.A d) Đánh giá độ cứng thân xe phân tích phương thức Cấu trúc thân xe hoạt động giống vật thể có biến dạng rung động tự do, khơng có điều kiện biên có tần số cộng hưởng Tải trọng động kích thích nhỏ, hoạt động cấu trúc thân xe tần số cộng hưởng, gây biến dạng lớn không mong muốn Số lượng tần số cộng hưởng vô hạn, thường xem xét loại tần số 50 Hz phạm vi này, rung động cảm nhận mặt xúc giác Còn rung động tần số cao hơn, từ 50-400 Hz, cảm nhận mặt âm học Hành vi rung cấu trúc nghiên cứu phương pháp phân tích phương thức (modal analyses), xác định chế độ rung thân xe dải tần số mong muốn Các nghiên cứu với phương tiện giới đường thử nghiệm cấu trúc thân xe có tần số cộng hưởng uốn lớn 22-25 Hz, mang lại cảm giác chắn Trong dải tần số lực kích thích thể người nhạy cảm với rung động Về tần số cộng hưởng xoắn, cảm giác vững thân xe đánh giá trường hợp lái xe đường có độ lồi lõm không đối xứng Cảm giác thu tần số riêng cấu trúc thân xe mức cao 22-25 Hz, trường hợp tần số uốn Dải tần số đặt làm giới hạn cho việc tính tốn phương thức riêng uốn xoắn cấu trúc, nhiều nhà thiết kế áp đặt nhiều giới hạn cao hơn, chẳng hạn mức 40 Hz ... bê tơng (bên trái) kết cấu thùng trộn bê tông (bên phải) 9.4 Vật liệu thân vỏ ô tô 9.4.1 Giới thiệu Thân vỏ ô tô cụm phức tạp xe, bao gồm số thành phần: thân xe (body), thành phần phi cấu trúc... buýt, công nghệ không gây ô nhiễm, v.v Xe khách loại thường công ty sản xuất lớn thiết kế chế tạo thân xe, động dàn gầm thường mua từ nhà cung cấp trang thiết bị phụ khác thân xe Khi thiết kế thân. .. Kiến trúc, cấu hình kích thước thành phần thân vỏ xe quan trọng để đảm bảo độ cứng vững tốt cho thân vỏ xe Về mặt thiết kế, thân vỏ ô tô du lịch có loại: Thân xe có ba khoang với ngăn riêng biệt: