Đồ án tính toán thiết kế hệ thống treo trên ô tô

Lời cảm ơn Để hoàn thành đồ án môn học này, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến: Ban giám hiệu trường Đại Học công nghệ Thành phố Hồ Chí Minh vì đã tạo điều kiện về cơ sở vật chất với hệ thống xưởng thực hành hiện đại, đa dạng các loại xe và dụng cụ, thuận lợi cho việc tìm kiếm, nghiên cứu thông tin. Xin cảm ơn giảng viên bộ môn Thầy Huỳnh Quang Thảo đã giảng dạy tận tình, chi tiết để em có đủ kiến thức và vận dụng chúng vào trong đồ án môn học này. Do chưa có nhiều kinh nghiệm làm để tài cũng như những hạn chế về kiến thức, trong đồ án môn học này chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được sự nhận xét, ý kiến đóng góp, phê bình từ phía Thầy để đồ án được hoàn thiện hơn. Lời cuối cùng, em xin kính chúc thầy nhiều sức khỏe, thành công và hạnh phúc. MỤC LỤC Lời cảm ơn I Mục lục II DANH MỤC HÌNH ẢNH. IV DANH MỤC CÁC BẢNG. IV CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI. 1 1.1. Đặt vấn đề. 1 1.2. Mục tiêu đề tài. 1 1.3. Nội dung đề tài. 1 1.4. Phương pháp nghiên cứu. 2 1.5. Kết cấu đồ án môn học. 2 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TREO. 3 2.1. Khái niệm, phân loại và yêu cầu của hệ thống treo. 3 2.1.1. Khái niệm. 3 2.1.2. Phân loại. 3 2.1.3. Yêu cầu. 3 2.2. Các bộ phận chính của hệ thống treo. 4 2.2.1. Bộ phận đàn hồi. 4 2.2.2. Bộ phận dẫn hướng. 6 2.2.3. Bộ phận giảm chấn. 7 2.2.4. Thanh ổn định. 8 2.2.5. Các vấu cao su tăng cứng và hạn chế hành trình. 8 2.2.6. Các cơ cấu điều chỉnh hoặc xác định góc bố trí bánh xe. 9 2.3. Phân tích kết cấu hệ thống treo. 9 2.3.1. Hệ thống treo phụ thuộc. 9 2.3.2. Ưu nhược đểm của hệ thống treo phụ thuộc. 11 2.3.4. Hệ thống treo độc lập. 12 2.3.5. Ưu nhược điểm của hệ thống treo phụ thuộc. 13 CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG TREO. 17 3.1. Các thông số cơ bản của hệ thống treo trên ô tô. 17 3.2. Tính toán sơ đồ treo. 18 3.2.1. Xác định hệ số phân bố khối lượng phần treo. 18 3.2.2. Xác định khối lượng phần treo phân bố trên các cầu. 18 3.2.3. Xác định độ cứng của treo. 19 3.2.4. Xác định hành trình tĩnh của bánh xe. 19 3.2.5. Kiểm tra hành trình động của bánh xe theo điều kiện đảm bảo khoảng sáng gầm xe nhỏ nhất. 20 3.2.6. Xác định hệ số dập tắt dao động của khối lượng phần treo. 21 3.3. Tính toán dao động ô tô. 21 3.3.1. Xác định tần số dao động riêng và hệ số dập tắt dao động của hệ. 21 3.3.2. Xác định biên độ dao động của khối lượng phần treo và khối lượng phần không treo. 23 3.4. Tính toán thiết kế các bộ phận của hệ thống treo. 27 3.4.1. Tính toán thiết kế lò xo. 27 3.4.2. Tính toán thiết kế giảm chấn. 29 CHƯƠNG 4: HÌNH VẼ CHI TIẾT THIẾT KẾ. 38 4.1. Giới thiệu phần mềm solicwork. 38 4.2. Sơ lược về phần mềm AutoCad 38 4.3. Hình vẽ. 40 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN. 44 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 45 DANH MỤC HÌNH ẢNH. Hình 2.1: Bộ phận đàn hồi nhíp lá. Hình 2.2: Bộ phận đàn hồi lò xo trụ. Hình 2.3: Bộ phận đàn hồi thanh xoắn. Hình 2.4: Bộ phận dẫn hướng. Hình 2.5: Sơ đồ giảm chấn của ô tô. Hình 2.6: Thanh ổn định. Hình 2.7: Hệ thống treo phụ thuộc. Hình 2.8: Treo phụ thuộc loại nhíp bộ. Hình 2.9: Treo phụ thuộc loại lò xo xoắn ốc. Hình 2.10: Hệ thống treo phụ thuộc hoạt động trên đường không bằng thẳng. Hình 2.11: Hệ thống treo độc lập. Hình 2.12: Hệ thống treo độc lập hoạt động trên đường không bằng phẳng. Hình 2.13: Hệ thống treo Mac Pherson. Hình 2.14: Sơ đồ hệ thống treo Mac Pherson. Hình 2.15: Mối quan hệ động học hệ thống treo. Hình 3.1: Sơ đồ tính toán. Hình 3.2: Sơ đồ dao động để xác định gần đúng biên độ dao động của phần treo (thân xe). Hình 3.3: Sơ đồ dao động để xác định gần đúng biên độ dao động của phần không treo trên bánh xe. Hình 3.4: Kết cấu lò xo. Hình 3.5: Kết cấu của giảm chấn. Hình 4.1: Phần mềm solidworks. DANH MỤC CÁC BẢNG. Bảng 3.1: Thông số đầu vào. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI. 1.1. Đặt vấn đề. Ngành ô tô giữ một vị trí quan trọng trong hoạt động phát triển của xã hội. Ô tô được sử dụng phổ biến, để phục vụ nền kinh tế quốc dân và trong hoạt động quân sự. Nhiều tiến bộ kỹ thuật, công nghệ mới, đã được áp dụng nhanh chóng vào công nghệ chế tạo ô tô, để làm tăng khả năng phục vụ và độ tin cậy của ô tô. Các tiến bộ khoa học này được áp dụng nhằm mục đích giảm nhẹ cường độ lao động cho người lái, đảm bảo an toàn cho người, xe và hàng hoá, tăng vận tốc chuyển động trung bình, tăng tính kinh tế của ô tô. Nền kinh tế nước ta đang trong đà phát triển. Hiện nay nhiều loại xe hiện đại đã và đang sản xuất và lắp ráp tại Việt Nam, với các thông số kỹ thuật phù hợp với điều kiện khí hậu vùng nhiệt đới nóng ẩm, địa hình phức tạp. Ở nước ta nói chung và trong quân đội nói riêng, vẫn còn sử dụng các thế hệ ô tô được sản xuất tại Liên Xô (trước đây) và với nhiều chủng loại khách nhau. Từ xe con đến xe ca, từ xe tải hạng nhẹ đến xe tải hạng năng, xe chuyên dùng. Chính vì vậy việc đánh giá tính toán thiết kế các hệ thống, cụm, cơ cấu là vấn đề hết sức cần thiết, để đạt hiệu quả cao. Muốn vậy phải nắm chắc kết cấu, điều kiện làm việc nguyên lý hoạt động của từng hệ thống, cụm, cơ cấu và toàn xe. Vì vậy đề tài đồ án môn học của tôi được giao là “Tính toán thiết kế hệ thống treo trên xe ô tô. 1.2. Mục tiêu đề tài. Mục tiêu đề tài nhằm nghiên cứu đánh giá dao động ô tô con sử dụng hệ thống treo phụ thuộc và treo độc lập thông qua chỉ tiêu êm dịu và an toàn chuyển động phục vụ cho công tác thiết kế, chế tạo ... 1.3. Nội dung đề tài. Nội dung Tính toán thiết kế hệ thống treo ”bao gồm các vấn đề sau: + Phần 1: Tổng quan về hệ thống treo. + Phần 2: Tính toán thiết kế hệ thống treo. + Phần 3: Tính toán bộ phận của hệ thống treo. + Phần 4: Giới thiệu phần mềm vẽ và các bản vẽ. 1.4. Phương pháp nghiên cứu. Phương pháp nghiên cứu thông qua tài liệu, sách vở, mạng internet và sử dụng phần mềm solizworks để vẽ hình. 1.5. Kết cấu đồ án môn học. Đồ án môn học gồm 5 chương: + Chương 1: Giới thiệu đề tài. + Chương 2: Tổng quan về hệ thống treo. + Chương 3: Tính toán thiết kế hệ thống treo. + Chương 4: Hình vẽ chi tiết thiết kế. + Chương 5: Kết luận. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TREO. 2.1. Khái niệm, phân loại và yêu cầu của hệ thống treo. 2.1.1. Khái niệm. Hệ thống treo là bộ phận quan trọng của xe ô tô, chúng quyết định cảm giác lái của xe êm ái hay xóc nảy, ổn định hay không ổn định. Nói một cách dễ hiểu đây là bộ phận đóng vai trò trong việc chuyển động của toàn bộ thân xe, đặc biệt khi xe di chuyển qua những cung đường gồ ghề. Hệ thống treo dùng để kết nối đàn hồi khung hoặc vỏ ô tô với các cầu. Nhiệm vụ chủ yếu của hệ thống treo là giúp ô tô chuyển động êm dịu khi đi qua các mặt đường không bằng phẳng. Ngoài ra hệ thống treo còn dùng để truyền các lực và mômen từ bánh xe lên khung hoặc vỏ xe, đảm bảo đúng động học bánh xe. 2.1.2. Phân loại. Theo thiết kế hệ thống treo người ta chia ra: hệ thống treo độc lập về hệ thống treo phụ thuộc. + Hệ thống treo độc lập dầm cầu được chế tạo rời và giữa chúng được liên hệ với nhau bằng khớp nối, loại này được dùng trên một số xe du lịch. + Hệ thống treo phụ thuộc dầm cầu là một thanh liền. Được dùng phổ biến trên các xe vận tải và chở hành khách. Phân loại theo đặc tính nối mềm: bằng phần tử đàn hồi kim loại, bằng khí nén, bằng thủy lực, bằng liên hợp thủy lực. 2.1.3. Yêu cầu. Hệ thống treo phải đảm bảo được các yêu cầu cơ bản sau : + Đặc tính đàn hồi của hệ thống treo (đặc trưng bởi độ võng tĩnh ft, và hành trình động fđ) phải đảm bảo cho xe có độ êm dịu cần thiết khi chạy trên đường tốt và không bị va đập liên tục lên các ụ hạn chế khi chạy trên đường xấu không bằng phẳng với tốc độ cho phép, khi xe quay vòng tăng tốc hoặc phanh thì vỏ xe không bị nghiêng, ngửa hay chúc đầu. + Đặc tính động học, quyết định bởi bộ phận dẫn hướng phải đảm bảo cho xe chuyển động ổn định và có tính điều khiển cao cụ thể là : + Đảm bảo cho chiều rộng cơ sở và góc đặt các trục quay đứng của bánh xe dẫn hướng không đổi hoặc thay đổi không đáng kể. + Đảm bảo sự tương ứng động học giữa các bánh xe và truyền động lái, để tránh gây ra hiện tượng tự quay vòng hoặc dao động các bánh xe dẫn hướng xung quanh trụ quay của nó. + Giảm chấn phải có hệ số dập tắt dao động thích hợp để dập tắt dao động hiệu quả và êm dịu. + Có khối lượng nhỏ, đặc biệt là phần không được treo. + Kết cấu đơn giản để bố trí, làm việc bền vững tin cậy. 2.2. Các bộ phận chính của hệ thống treo. Hệ thống treo nói chung gồm ba bộ phận chính : Bộ phận đàn hồi, bộ phận hướng, và bộ phận giảm chấn. Mỗi bộ phận đảm nhận nhiệm vụ và chức năng riêng biệt. 2.2.1. Bộ phận đàn hồi. Dùng để tiếp nhận và truyền các tải trọng thẳng đứng giảm va đập và tải trọng tác động lên khung vỏ và hệ thống chuyển động, đảm bảo độ êm dịu cần thiết cho ôtô khi chuyển động. Chức năng: là bộ phận nối mềm giữa bánh xe và thùng xe, nhằm biến đổi tần số dao động cho phù hợp với cơ thể con người (6080 lầnph). Các bộ phận đàn hồi thường được sử dụng: + Bộ phận đàn hồi nhíp lá. + Bộ phận đàn hồi lò xo trụ. + Bộ phận đàn hồi thanh xoắn. Hình 2.1: Bộ phận đàn hồi nhíp lá. + Nhíp được làm từ các lá thép mỏng, có độ đàn hồi cao, các lá thép có kích thước chiều dài nhỏ dần từ lá lớn nhất gọi là lá nhíp chính. Hai đầu của nhíp chính được uốn lại thành hai tai nhíp dùng để nối với khung xe. Giữa bộ nhíp có các lỗ dùng để bắt bulông siết các lá nhíp lại với nhau. Quang nhíp dùng để giữ cho các lá nhíp khụng bị sê lệch về hai bên, các lá nhíp có thể dịch chuyển tương đối với nhau theo chiều dọc. Khi dịch chuyển tương đối theo chiều dọc, giữa các lá nhíp có lực ma sát, lực ma sát này dùng để dập tắt dao động theo phương thẳng đứng của ôtô. Khi làm việc, mặt trên của lá nhíp sẽ chịu kéo, còn mặt dưới sẽ chịu uốn. Hình 2.2: Bộ phận đàn hồi lò xo trụ. + Lò xo chỉ có chức năng là một cơ cấu đàn hồi khi bộ phận chịu lực theo phương thẳng đứng. Còn các chức năng khác của hệ thống treo sẽ do bộ phận khác đảm nhiệm. Lò xo chủ yếu được sử dụng trong hệ thống treo độc lập, nó có thể đặt ở đọan trên hay đọan dưới của bộ phận dẫn hướng. Hình 2.3: Bộ phận đàn hồi thanh xoắn. + Thanh xoắn giống như lò xo xoắn loại này cũng chỉ có chức năng đàn hồi khi chịu lực tác dụng theo phương thẳng đứng còn lại chức năng khác do bộ phận khác của hệ thống treo đảm nhận. Thanh xoắn được chế tạo từ thanh thép dài, cú tiết diện tròn, đàn hồi theo chiều xoắn vặn. Một đầu của thanh xoắn được gắn cứng vào khung xe, đầu còn lại gắn vào một tay đòn. 2.2.2. Bộ phận dẫn hướng. Hình 2.4: Bộ phận dẫn hướng. Cho phép các bánh xe dịch chuyển thẳng đứng ở mỗi vị trí của nó so với khung vỏ, bánh xe phải đảm nhận khả năng truyền lực đầy đủ. Bộ phận dẫn hướng phải thực hiện tốt chức năng này. Trên mỗi hệ thống treo thì bộ phận dẫn hướng có cấu tạo khác nhau. Quan hệ của bánh xe với khung xe khi thay đổi vị trí theo phương thẳng đứng được gọi là quan hệ động học. Khả năng truyền lực ở mỗi vị trí được gọi là quan hệ động lực học của hệ treo. Trong mối quan hệ động học các thông số chính được xem xét là : sự dịch chuyển (chuyển vị) của các bánh xe trong khụng gian ba chiều khi vị trí bánh xe thay đổi theo phương thẳng đứng (Dz).Mối quan hệ động lực học được biểu thị qua khả năng truyền các lực và các mômen khi bánh xe ở các vị trí khác nhau. 2.2.3. Bộ phận giảm chấn. Cùng với ma sát trong hệ thống treo, có nhiệm vụ tạo lực cản, dập tắt các dao động của phần được treo và không được treo, biến cơ năng thành nhiệt năng tiêu tán ra môi trường xung quanh. Hình 2.5: Sơ đồ giảm chấn của ô tô. Ngoài ba bộ phận chính trên trong hệ thống treo của các ôtô du lịch còn có thêm bộ phận phụ nữa là bộ phận ổn định ngang. Bộ phận này có tác dung làm giảm độ nghiêng và các dao động góc ngang của thùng xe. 2.2.4. Thanh ổn định. Trên xe con thanh ổn định hầu như đều có. Trong trường hợp xe chạy trên nền đường không bằng phẳng hoặc quay vòng, dưới tác dụng của lực li tâm phản lực thẳng đứng của 2 bánh xe trên một cầu thay đổi sẽ làm cho tăng độ nghiêng thùng xe và làm giảm khả năng truyền lực dọc, lực bền của bánh xe với mặt đường. Hình 2.6: Thanh ổn định. Thanh ổn định có tác dụng khi xuất hiện sự chênh lệch phản lực thẳng đứng đặt lên bánh xe nhằm san bớt tải trọng từ bên cầu chịu tải nhiều sang bên cầu chịu tải ít hơn. Cấu tạo chung của nó có dạng chữ U. Các đầu chữ U nối với bánh xe còn thân nối với vỏ nhờ các ổ đỡ cao su. 2.2.5. Các vấu cao su tăng cứng và hạn chế hành trình. Trên xe con các vấu cao su thường được đặt kết hợp trong vỏ của giảm chấn. Vấu cao su vừa tăng cứng vừa hạn chế hành trình của bánh xe nhằm hạn chế hành trình làm việc của bánh xe. 2.2.6. Các cơ cấu điều chỉnh hoặc xác định góc bố trí bánh xe. Hệ thống treo đảm nhận mối liên kết giữa bánh xe và thựng vỏ, do vậy trên hệ thống treo có thêm các cơ cấu điều chỉnh hoặc xác định góc bố trí bánh xe. Các cơ cấu này rất đa dạng nên ở mỗi loại xe lại có cách bố trí khác nhau, các loại khác nhau. 2.3. Phân tích kết cấu hệ thống treo. 2.3.1. Hệ thống treo phụ thuộc. Hình 2.7: Hệ thống treo phụ thuộc. Đặc trưng của hệ thống treo phụ thuộc là các bánh xe lắp trên một dầm cầu cứng. Trong trường hợp cầu xe là bị động thì dầm đó là một thanh thép định hình, còn trường hợp là cầu chủ động thì dầm là phần vỏ cầu trong đó có một phần của hệ thống truyền lực. Đối với hệ treo này thì bộ phận đàn hồi có thể là nhíp lá hoặc lò xo xoắn ốc, bộ phận dập tắt dao động là giảm chấn. Hình 2.8: Treo phụ thuộc loại nhíp bộ. 1.Tai nhíp chính 2. Khung xe 3. Lá nhíp chính 4. Giá đỡ ụ cao su 5. Ụ cao su 6. Cùm nhíp 7.Quang nhíp. Nếu bộ phận đàn hồi là nhíp lá thì nhíp đóng vai trò là bộ phận dẫn hướng, có thể dựng thêm giảm chấn hoặc khụng. Ưu điểm: Nhíp có kết cấu đơn giản, chắc chắn và rẻ tiền, chế tạo và sửa chữa nhíp cũng đơn giản. Nhược điểm: Trọng lượng lớn, thời gian phục vụ ngắn, đường đặc tuyến của nhíp là đường thẳng. Hình 2.9: Treo phụ thuộc loại lò xo xoắn ốc. 1.Đòn dẫn hướng chịu lực dọc phía trên 2. Đòn dẫn hướng chịu lực dọc phía dưới 3. Khớp nối đòn trên với khung xe 4. Khớp nối đòn dưới với khung xe 5. Lò xo xoắn. Nếu như bộ phận đàn hồi là lò xo xoắn phải dựng thêm hai đòn dọc dưới và một hoặc hai đòn dọc trên. Đòn dọc dưới được nối với cầu, đòn dọc trên được nối với khớp trụ . Để đảm bảo truyền được lực ngang và ổn định vị trí thùng xe so với cầu người ta cũng phải dựng thêm “đòn Panhada”, một đầu nối với cầu còn đầu kia nối với thùng xe. Lò xo xoắn ốc trong trường hợp này có thể đặt trên đòn dọc hoặc đặt ngay trêncầu. Ưu điểm: Hệ thống treo phụ thuộc loại lò xo xoắn này chiếm ít không gian hơn loại nhíp, so với hệ thống treo loại nhíp thì loại lò xo có trọng lượng nhỏ. Nhược điểm: Phải thêm các bộ phận giảm chấn, dẫn hướng và hệ thống tạo khí nén. 2.3.2. Ưu nhược đểm của hệ thống treo phụ thuộc. Nhược điểm: + Khối lượng phần liên kết bánh xe (phần khung được treo) lớn, đặc biệt là ở cầu chủ động. Khi xe chạy trên đường không bằng phẳng, tải trọng động sinh ra sẽ gây nên và đập mạnh giữa phần không treo và phần treo làm giảm độ êm dịu chuyển động. Mặt khác bánh xe va đập mạnh trên nền đường sẽ làm xấu sự tiếp xúc của bánh xe với đường. + Khoảng không gian phía dưới sàn xe phải lớn để đảm bảo cho dầm cầu có thể thay đổi vị trí, do vậy chỉ có thể lựa chọn là chiều cao trọng tâm lớn. Hình 2.10: Hệ thống treo phụ thuộc hoạt động trên đường không bằng thẳng. + Sự nối cứng bánh xe 2 bên bờ dầm liên kết gây nên hiện tượng xuất hiện chuyển vị phụ khi xe chuyển động. Ưu điểm: + Trong quá trình chuyển động vết bánh xe được cố định do vậy không xảy ra hiện tượng mòn lốp nhanh như hệ thống treo độc lập. + Khi chịu lực bên (lực li tâm, đường nghiêng). 2 bánh xe liên kết cứng bởi vậy hạn chế hiện tượng trượt bên bánh xe. + Công nghệ chế tạo đơn giản, dễ tháo lắp và sửa chữa. + Giá thành thấp