Đồ án tốt nghiệp thiết kế kiểm nghiệm hệ thống treo của xe land cruiser

  BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế kiểm nghiệm hệ thống treo xe Land cruiser HÀ NỘI, NĂM 2023   LỜI CÁM ƠN Để hoàn thành đồ án tốt nghiệp này, lời nhóm em xin cảm ơn chân thành đến tồn thể thầy trường Đại học Thủy Lợi nói chung thầy khoa Cơ Khí mơn tơ nói riêng, người tận tình hướng dẫn, dạy dỗ trang bị cho em kiến thức bổ ích năm năm vừa qua Đặc biệt em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến giảng viên T S Nguyễn Đức Ngọc người tận tình hướng dẫn, trực tiếp bảo tạo điều kiện giúp đỡ em suốt trình làm báo cáo tiểu luận Sau em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè động viên, cổ vũ đóng góp ý kiến trình học tập, nghiên cứu trình làm đồ án tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn!   LỜI NÓI ĐẦU Trong phương tiện giao thông sử dụng giới ở  Việt Nam phương tiện giao thơng đường sử dụng nhiều nhất, mà phần lớn tơ có nhiều ưu điểm so với loại phương tiện khác như: tính động, nhanh gọn, giá thành vận chuyển rẻ (ở cự ly gần trung bình)… Với u cầu địi hỏi ngày cao công nghệ vận tải, kỹ thuật tính tiện nghi tơ ngày phải hồn thiện Đặc biệt tính êm dịu chuyển động xe để tạo cho người cảm giác thật thoải mái, bảo quản hàng hóa vận chuyển, tăng tuổi thọ làm việc ô tô giảm việc bảo dưỡng tu bổ đường sá Hệ thống treo hệ thống quan trọng ô tơ, góp phần tạo độ êm dịu ổn định tính tiện nghi xe Đối với đồ án tốt nghiệp giao: “Thiết kế kiểm nghiệm hệ thống treo xe Land cruiser 200” và trước yêu cầu thực tế ngành ô tô nước em chọn  phương án thiết kế để đảm bảo thỏa mãn đồng thời tiêu chí   Trong q trình làm đồ án tốt nghiệp thời gian có hạn, trình độ kiến thức thân hạn chế nên khó tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận đóng góp ý kiến với bảo thầy bạn sinh viên   Đồ án tốt nghiệp em hồn thành nhờ có giúp đỡ bảo tận tình thầy môn bạn đặc biệt thầy Nguyễn Đức Ngọc Em xin gửi lời cảm ơn đến thầy bạn   Hà Nội, ngày 29 tháng năm 2023   Sinh viên   Nguyễn Văn Dương   CHƯƠNG I: TỔNG QUAN HỆ THỐNG TREO Tổng quan hệ thống treo 1.1 Công dụng   Ơ tơ chuyển động, với lốp hấp thụ cản lại rung động, dao động Hệ thống treo hệ thống liên kết bánh xe khung xe vỏ xe Mối liên kết treo xe liên kết đàn hồi, có tác dụng làm êm dịu cho trình chuyển động, đảm bảo động học bánh xe - Khi ô va đập tác dụng lên xe mặt đường không phẳng, để bảo vệ hành khách, hành lý cải thiện tính ổn định - Xác định động học chuyển động bánh xe, truyền lực kéo, lực phanh sinh ma sát mặt đường bánh xe, lực bên mô men phản lực tới gầm thân xe - Dập tắt dao động thẳng đứng khung vỏ sinh ảnh hưởng mặt đường không phẳng Khi ôtô chuyển động đường không phẳng chịu dao động mặt đường mấp nô sinh Những dao động ảnh hưởng xấu tới tuổi thọ xe, hàng hóa đặc biệt ảnh hưởng tới hành khách - Xe chuyển động có êm dịu hay không phụ thuộc chủ yếu vào chất lượng hệ thống treo   Để đảm bảo công dụng trên,hệ thống treo cấu tạo gồm phận chính: - Bộ phận hướng - Bộ phận đàn hồi - Bộ phận giảm chấn   Bộ phận đàn hồi: Nối đàn hồi khung vỏ với bánh xe, tiếp nhận lực thẳng đứng tác dụng từ khung vỏ tới bánh xe ngược lại Bộ phận đàn hồi có cấu tạo chủ yếu chi tiết (hoặc cụm chi tiết) đàn hồi kim loại (nhíp, lị xo xoắn, xoắn)  bằng khí (trong trường hợp hệ thống treo khí thuỷ khí)   Bộ phận giảm chấn: Có tác dụng dập tắt nhanh chóng dao động cách biến lượng dao động thành nhiệt toả Việc biến lượng dao động thành nhiệt nhờ ma sát Giảm chấn ô tô giảm chấn thuỷ lực, xe dao động, chất lỏng giảm chấn pittông giảm chấn dồn từ buồng sang buồng qua lỗ tiết lưu Ma sát chất lỏng với thành lỗ tiết lưu lớp chất lỏng với  biến thành nhiệt nung nóng vỏ giảm chấn toả ngồi     Bộ phận hướng: Có tác dụng đảm bảo động học bánh xe, tức đảm bảo cho bánh xe dao động mặt phẳng đứng, phận hướng cịn làm nhiệm vụ truyền lực dọc, lực ngang, mơ men khung vỏ bánh xe 1.1.2 Yêu cầu cảu hệ thống treo - Đảm bảo tần số dao động riêng thích hợp cho phần treo, - Có độ võng động hợp lý để không sinh va đập lên ụ hạn chế cao su, - Có độ dập tắt dao động hợp lý, - Khơng gây lên tải trọng lớn mối liên kết với khung vỏ xe, - Đảm bảo tính dẫn hướng tốt ô tô,ô tô không bị nghiêng quay vòng phanh, - Đảm bảo chiều rộng sở góc đặt trụ bánh xe dẫn hướng không thay đổi, - Đảm bảo tương thích động học bánh xe dẫn hướng động học dẫn động lái, - Có độ tin cậy lớn,trong nhiều điều kiện phù hợp với tính kĩ thuật không gặp hư hỏng bất thường, - Kết cấu nhỏ gọn,làm việc êm dịu,ổn định,dễ dàng bảo dưỡng,sửa chữa,thay thế, - Có độ bền cao,giá thành thấp Hình 1.1 Hệ thống treo tơ   1.2 Phân loại 1.2.1 Hệ thống treo phụ thuộc Hệ thống treo phụ thuộc cho phép hai bánh xe chuyển động tương nhau, nhiên chuyển động chúng có ảnh hưởng đến Ngày nay, hệ thống treo xuất phổ biến dạng xoắn (torsion beam) kết hợp với cân (stabilizer bar) Hệ thống thường sử dụng xe tải bán tải, hầu hết mẫu SUV khung xe rời (body on frame) bán tải Việt Nam sử dụng hệ thống treo dạng Hình 1.2 :Hệ thống treo phụ thuộc sử dụng nhíp Ưu điểm hệ thống treo phụ thuộc cấu tạo đơn giản, linh kiện Nhờ đó, việc bảo dưỡng tháo lắp để sửa chữa đơn giản với chi phí bảo dưỡng hiển nhiên thấp Dù có cấu tạo đơn giản, vật liệu sử dụng hệ thống thường loại cứng, có khả chịu tải tốt Điểm lí giải hệ thống treo thường sử dụng xe tải, xe bán tải mẫu xe SUV cỡ lớn Việt Nam Tuy nhiên, hệ thống treo tồn điểm trừ cố hữu Cũng có cấu tạo từ vật liệu cứng, xe không êm ái, người ngồi xe bị xóc  Ngồi ra, chạy tốc độ cao, tài xế vào cua gấp gây tượng trượt bánh làm lái dẫn đến tai nạn   Cấu tạo: Gồm trục cứng, lò xo Trục dẫn động kẹp vào lị xo bu lơng chữ U ống giảm chấn bắt trực tiếp vào trục bu lơng Hai đầu lị xo (nhíp) đầu lại ống giảm chấn bắt trực tiếp vào chassis Một nhược điểm hệ thống trục dẫn động không cố địng chắn cho chuyển động ngang nên có dao động ngang lớn xe chuyển động  Nguyên lí làm việc: Khi ô tô chạy đường, mặt đường không phẳng làm cho khung xe dao động theo phương thẳng đứng (nhờ phận dẫn động xe), phận đàn hồi (nhíp lá), phận giảm chấn (giảm xóc), bắt với khung xe nên khung xe dao động làm cho phận dao động theo Khi có chuyển hóa lượng từ thành nhiệt năng, dao động tắt dần Hình 1.3: Hệ thống treo phụ thuộc sử dụng lò xo 1.1.2.2 Hệ thống treo độc lập Khác với hệ thống treo phụ thuộc, hệ thống này, bánh xe gắn với thân xe cách “độc lập” với Qua đó, hai đầu bánh xe chuyển động riêng lẻ, dịch chuyển tự mà không gây ảnh hưởng lẫn Nhờ vậy, dao động từ mặt đường lên khung vỏ xe kiểm soát tốt   So với hệ thống treo phụ thuộc, phần không treo nhỏ nên khả bám đường bánh xe cao, tính êm dịu chuyển động cao Tương ứng với việc bố trí xếp tay địn mà hãng sản xuất tạo kiểu hệ thống treo khác hệ thống treo MacPherson, hệ thống treo tay đòn kép (double wishbone), hệ thống treo đa liên kết (multi-link),… Hệ thống lái Tuy nhiên, nhược điểm lớn MacPherson bánh xe lắc ngang so với mặt đường Độ chụm xe dễ bị lệch chủ xe cần kiểm tra góc đặt bánh xe nhiều Thiết kế đơn giản, chi tiết, giúp đẩy nhanh trình lắp ráp, hạ giá thành sản xuất, giảm nhẹ tạo thêm không gian cho khoang động vốn chật hẹp xe 1.2.2 Hệ thống treo tay đòn kép Hệ thống treo tay đòn kép lần xuất vào năm 30 kỷ trước Hãng xe Citroen nước Pháp nơi sử dụng hệ thống treo Rosalie 1934 mẫu Traction Avant Còn Mỹ, Packard giới thiệu hệ thống treo tay đòn kép One-Twenty 1935 quảng cáo tính an tồn xe Cấu tạo hệ thống treo bao gồm ba phận lị xo, giảm xóc giảm chấn phận điều hướng Điểm khác biệt so với hệ thống treo MacPherson phận điều hướng bao gồm hai dẫn hướng thường có chiều dài ngắn Chính vậy, hệ thống treo có tên gọi tay đòn képtreo độc lập sử dụng rộng rãi phổ biến ô tô Các kiểu hệ thống treo độc lập tiêu biểu hệ thống treo MacPherson, hệ thống treo tay đòn kép (double wishbone), hệ thống treo đa liên kết (multi-link),… 1.2.3 Hệ thống treo Marpherson Hệ thống treo đặt theo tên người phát minh - Earle S MacPherson (1891 - 1960) - kỹ sư ôtô người Mỹ gốc Scotland Hệ thống treo phát minh vào năm 1946, ông trưởng phụ trách dự án sản xuất xe ôtô trọng lượng nhẹ Chevrolet Tuy nhiên, năm sau dự án bị hủy, ông đầu quân cho Ford áp dụng hệ thống treo phát minh lần Vedette năm 1949   Hiện nay, hầu hết mẫu xe có hệ thống treo trước sử dụng phát minh có từ cách 70 năm Hệ thống treo MacPherson cấu tạo gồm ba phận: giảm chấn thủy lực, lò xo cánh tay điều hướng Hệ thống treo MacPherson thực phát triển Hình 1.4: Hệ thống treo Marpherson kết cấu khung xe liền khối unibody sử dụng cầu trước ngày sử dụng nhiều MarPherson coi hệ thống treo độc lập sơ khai đơn giản Vì thế, lợi lớn hệ thống treo sử dụng linh kiện hơn, giúp cho việc sửa chữa  bảo dưỡng đơn giản tiết kiệm Với việc thường sử dụng cho bánh trước, hệ thống treo giúp giảm khối lượng phần đầu xe, giải phóng khơng gian cho khoang Kiểu dùng phổ biến hệ thống treo trước xe tải nhỏ, hệ thống treo trước treo sau xe du lịch   Lý việc tay đòn ngắn xe di chuyển, góc nghiêng bánh xe so với phương thẳng đứng (góc camber) thay đổi cịn khoảng cách bánh xe không đổi xe nhún Camber dương tức bánh xe có xu hướng ngửa ngồi, Camber âm ngược lại, úp vào Hình 1.5: Hệ thống treo tay đòi kép Khi xe vào cua, bánh lăn theo đường cong đồng thời nhún dao động Vì tay địn ngắn nên bánh khơng bị ngửa ngồi, giúp việc quay vịng ổn định Bên cạnh đó, khoảng cách bánh xe khơng thay đổi nên hạn chế mòn lốp Ưu điểm treo tay địn kép góc đặt bánh ổn định, giúp cảm giác lái xe vào cua tốt hơn, hạn chế lắc ngang, tạo linh hoạt việc xếp thành phần lò xo, giảm chấn, giúp dễ dàng điều chỉnh động học hệ thống treo Việc giúp chủ xe tối ưu hóa q trình vận hành tùy vào mục đích khác Tuy nhiên, kèm với phức tạp cấu tạo sửa chữa, bảo dưỡng tốn so với kiểu MacPherson   + độ chênh áp trước sau van, tính theo lực cản giảm chấn hành trình tương ứng diện tích hữu ích pittong:  Như vậy, tổng diện tích lưu thơng van tính: ; (1 2)   Lỗ van nén: ( ) ( ) ( ) ( ) Lỗ van trả: Giả thiết rằng, tiết lưu có dạng lỗ trịn với đường kính d, ta có: ; với n số lỗ van (do người thiết kế lựa chọn, chọn n=5) Từ đó, ta tính đường kính lỗ van: (1 2)  Đường kính van nén: (  Đường kính van trả: ( Tính tốn nhiệt giảm chấn Ta có: ) )   (1 2) Trong đó: + : Cơng suất tiêu thụ giảm chấn, ta có: Với: - Tốc độ Piston giảm chấn,   - Hệ số truyền nhiệt giảm chấn khơng khí Chọn   - Diện tích ngồi giảm chấn,  ( Với cm/s Chọn cm/s tính sau: (1 2) ) (mm) ta được:  ( ) - Nhiệt độ môi trường, ta chọn Vậy:  Nhiệt độ thoả mãn, nhỏ giá trị cho phép 0,1÷0 , 15  (thoả mãn) 3.1.5 Xác định hệ số dập tắt dao động khối lượng phần treo h0 = ψ   ω Trong đó: h0 - hệ số dập tắt dao động khối lượng phần treo (rad/s)   ω  – tần số dao động riêng khối lượng phần treo (rad/s) ψ  – hệ số cản tương đối Chọn ψ  =0,2 ~ 0,3 ψ = 0,3   Hệ số dập tắt dao động hệ thống treo sau là: h02=ψ  ω2 =0,3.11,5=3,45 3.2 Tính toán thiết kế phận hệ thống treo sau: 3.2.1 Tính tốn thiết kế lị xo Lị xo thường sử dụng làm phận đàn hồi hệ thống treo độc lập Lị xo hình trụ, hình với tiết diện dây lị xo hình chữ nhật hình trịn  p   d d   Hình 11: Kết cấu lị xo Trong q trình tính tốn ta chọn lị xo trụ có tiết diện trịn - Tính độ võng lò xo:   f  = 8 z . D  P d G - Trong đó: + z: số lượng vịng lị xo làm việc Thông thường ôtô z = ~ 12 (vịng) Chọn z=8 + D: Đường kính trung bình lị xo + d : Đường kính sợi dây lò xo + P : Lực tác dụng lên lị xo +G : mơ đun đàn hồi xoắn, G   8.10  MN / m Trong q trình tính tốn ta chọn thơng số lò xo sau :   D = 150 (mm) d = 10 (mm) Còn lực tác dụng lên lị xo phản lực mặt đường tác dụng lên tác dụng lên giảm chấn 45% tác dụng lên lò xo 55% Trong q trình tính tốn ta bỏ qua lực cản khơng khí lực cản lăn, lực cản phanh coi xe không chuyển động Vậy thay thông số vào công thức, ta có phương trình moment tính theo thơng số lựa chọn : Vậy độ võng lò xo bánh sau là: 3.2.2 Tính tốn thiết kế giảm chấn Hình : Kết cấu giảm chấn thủy lực a Xác định kính thước giảm chấn Lựa chọn giảm chấn tiêu chuẩn để tính toán toán tối ưu.Cho phép trọng lượng phần treo  phân bố lên giảm chấn vận tốc dịch chuyển tương đối nhỏ Lựa chọn xe tính tốn có trọng lượng xe khơng tải 24721 (N) nên ta lựa chọn sau: + Đường kính xylanh cơng tác    + Đường kính xy lanh cơng tác d x=45 (mm)  + Hành trình piston H p= 150 (mm)   Từ kích thước chọn kích thước khác giảm chấn   Theo sơ đồ chiều dài toàn giảm chấn hành trình nén : Ln= Lk  + H p Trong đó: + Lk  : Chiều dài kết cấu giảm chấn L k  =  Σ  Li + Ly : Chiều dài cụm i giảm chấn   ● Chiều dài cụm giảm chấn chọn sau Ly = (0,75-1,50)dx  L0 = (0,75-1,1)dx Lc = (0,4-0,9)dx  Lm = (1,1-1,5)dx Ta chọn: Ly = 0,9dx =0,75.45=33,75 (mm) L 0 = 0,8dx = 0,8.45=36 (mm) Lc = 0,4dx = 0,4.45=18 (mm) Lm = 1,2dx = 1,2.45=54 (mm)   Vậy chiều dài tồn giảm chấn hành trình nén là:   Và chiều dài toàn giảm chấn hành trình trả là:   ● Đường kính địn đẩy piston đường kính xy lanh chọn sau: dd = (0,4-0,6) dx D1 = (1,1-1,30) dx d1 = 1,1 dx  D = 1,1 D1 Ta chọn:  dd = 0,5.dx =0,4.45=18 (mm)  D1 = 1,4.dx= 1,12.45= 50,4 (mm) d1 = 1,1.dx =1,1.45=49,5 (mm) D = 1,1.D1 = 1,1.45 = 49,5 (mm)   - Kích thước cửa giảm chấn: Được chọn theo nguyên tắc đủ diện tích toả nhiệt dể giảm chấn khơng nóng nhiết độ cho phép giảm chấn làm việc căng thẳng.chế độ làm việc căng thẳng giảm chấn xác định vận tốc piston giảm chấn Công suất tiêu thụ giảm chấn: N t   Trong :   K 1 : hệ số cản giảm chấn hành trình nén   K 2 : hệ số cản giảm chấn hành trình trả   Ta có :   K : hệ số cản giảm chấn  K = Mặt khác :  K 1 + K 2 Chọn : Thay vào ta :   Hệ số giảm chấn tính theo cơng thức: K= Với   hế số cản hệ thống treo K tr Trong :     - : hệ số dập tắt chấn động , = 0,15…0,25   Chọn   - f : độ võng tĩnh hệ thống treo (m) = 0,2 - Z bx : phần trọng lượng treo tính bánh xe   Suy ta có :   Giảm chấn đặt góc Với =350  =   Suy : Công suất tiêu thụ giảm chấn :   Công giảm chấn tiêu thụ thời gian t (giây) : L   L= (Nm)  Từ phương trình truyền nhiệt giới hạn nhiệt độ chất lỏng giảm chấn ta có :   L= F.(Tgmax - T b)t Trong :   - Tgmax : nhiệt độ cực đại cho phép vỏ giảm chấn (120 0…1300)     giảm chấn làm việc thời gian liên tục   - T b : nhiệt độ môi trường xung quanh (T b = 200)   -F : diện tích vỏ ngồi giảm chấn   -t : thời gian tính theo giây (s)   - : hệ số truyền nhiệt   - Chọn = (60…70).1,16=65.1,6 = 104 (J/m 2.giờ.độ) =65 (J/m2.giờ.độ)   - F diện tích vỏ ngồi giảm chấn (m )   F= - D: đường kính ngồi giảm chấn D=48,16 (mm) Lk  chiều dài kết cấu giảm chấn L k =68 (mm) Diện tích vỏ ngồi giảm chấn    Nhiệt độ cực đại cho phép vỏ giảm chấn giảm chấn làm việc thời gian liên tục [T gmax] = (120-130) 0C   Ta nhận thấy : Tgmax < [Tgmax] Vậy giảm chấn thoả mãn điều kiện làm việc Xác định kích thước lỗ van giảm chấn   Diện tích piston : F p  Chất lỏng tiêu tốn giây piston nén giảm chấn :   = 490,6 103.0,3 = 147187,5(mm 3/s)     áp suất giảm chấn kỳ nén : P n  Trong :   - Z1 : lực cản giảm chấn hành trình nén     Z1 = K 1.Vs = 38132,64.0,3 = 11439,79N) - Ft : diện tích giảm chấn: Suy : Diện tích lỗ van giảm chấn q trình nén :   Trong :   - : hệ số tiêu tốn ( = 0,65)   - : độ đậm đặc chất lỏng (   - =9   - g : gia tốc trọng trường (g = 10m/s 2) = KG/cm3 ) (N/ mm3)   Suy : Với diện tích lỗ van giảm chấn , ta bố trí hai lỗ van nén hình trịn ,   lỗ van diện tích 2,35 (mm 2) nên đường kính lỗ van d = 1,73 (mm)    Chất lỏng tiêu tốn giây piston trả giảm chấn :   áp suất giảm chấn kỳ trả : P t  Trong :   - Z2 : lực cản giảm chấn hành trình trả   Z2 = K 2.Vs  Z2 = 1466,42.0,3 =4399,92(N)   - FP : diện tích piston (F P = 314 (mm2))   - Ft : diện tích (F t = 78,5 mm2)  Suy :   Diện tích lỗ van hành trình trả :  Với :   - FP = 314(mm2)   - : hệ số tiêu tốn ( = 0,65)   - : độ đậm đặc chất lỏng ( =   - g : gia tốc trọng trường (g = 10m/s 2)   - K 2 = 13824,9(Ns/m)   - Pt = 52,83(N/mm2) (N/ mm3) )    Do ta có :   Với diện tích lỗ van ta bố trí hai lỗ van , lỗ có diện tích 4,2 (mm 2) , đường kính lỗ van 2,31 (mm) Xác định lỗ van giảm tải   Khi Vs > 0,3(m/s) giảm chấn làm việc căng thẳng hệ thống treo lúc cứng Để khắc  phục điều , giảm chấn thiết kế thêm van giảm tải Khi V s>0,3(m/s) van giảm tải mở , diện tích lưu thơng chất lỏng giảm chấn tăng lên , hệ số cản giảm chấn giảm ,lực cản giảm chấn không tăng nhiều Việc tính tốn lỗ van tương tự tính lỗ van trình nén hay trình trả giảm chấn Coi vận tốc giảm chấn giai đoạn V g = 0,5(m/s) Chọn hệ số cản giảm chấn giai đoạn :K g’ = 0,5 K g  Do lực cản giảm chấn : Z g’ giai đoạn tính sau:  + trình nén :   Lực cản giảm chấn :   Thay số ta :   Zgn’ =7626,53 Áp suất giảm chấn kỳ nén :   Diện tích lỗ van giai đoạn này:     Diện tích lỗ van giảm tải nén :   Bố trí van giảm tải lỗ có diện tích 5,1 (mm2), đường kính lỗ van   d = 2,54 (mm)  + trình trả về:   Lực cản giảm chấn :   Thay số ta :   Áp suất giảm chấn kỳ trả :  Diện tích lỗ van giai đoạn này:   Diện tích lỗ van giảm tải trả :   Bố trí hai van , van có diện tích 4,95(mm2) , đường kính van 2,51(mm)