Công dụngHệ thống treo dùng để nối đàn hồi khung vỏ ô tô với bánh xe, có tác dụng làmêm dịu cho quá trình chuyển động, đảm bảo đúng động học bánh xe bánh xe daođộng trong mặt phẳng đứng
Lịch sử hình thành
Xã hội loài người khi bắt đầu xuất hiện những phương tiện vận tải đầu tiên đã quan tâm đến vấn đề dao động của chúng Ngay từ khi xuất hiện những phương tiện giao thông là xe kéo, ban đầu người ta nối cứng bánh xe với khung xe Việc di chuyển chỉ thích hợp cho việc thồ hàng mà không tiện cho người ngồi trên xe Về sau con người tìm ra xăm lốp có thể giảm bớt được các chấn động trên xe Và khi khoa học phát triển đã tìm được nguyên tắc dập tắt các dao động qua đó hình thành nên các hệ thống treo của các xe như hiện nay.
Công dụng
Hệ thống treo dùng để nối đàn hồi khung vỏ ô tô với bánh xe, có tác dụng làm êm dịu cho quá trình chuyển động, đảm bảo đúng động học bánh xe (bánh xe dao động trong mặt phẳng đứng) va truyền lực giữa khung vỏ với bánh xe.
Trong trường hợp hệ thống treo phụ thuộc, hệ thống treo nối khung vỏ với bánh thông qua dầm cầu, (hoặc vỏ cầu) Để đơn giản chúng ta coi hệ thống treo nối đàn hồi với khung vỏ với bánh xe.
Xe chuyển động có êm dịu hay không phụ thuộc chủ yếu vào chất lượng của hệ thống treo Để đảm bảo công dụng như đã nêu ở trên hệ thống treo thường có 3 bộ phận chủ yếu:
Thanh cân bằng (nếu có).
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 và ngược lại, nhằm biến đổi tần số dao động sao cho phù hợp với cơ thể con người (60-80 lần/p) Bộ phận đàn hồi có cấu tạo chủ yếu là một chi tiết (hoặc 1 cụm nhi tiết) đàn hồi bằng kim loại (nhíp, lò xo xoắn, thanh xoắn) hoặc bằng khí (trong trường hợp hệ thống treo bằng khí hoặc thuỷ khí).
Bộ phận giảm chấn: Có tác dụng dập tắt nhanh chóng các dao động bằng cách biến năng lượng dao động thành nhiệt năng toả ra ngoài Việc biến năng lượng dao động thành nhiệt năng nhờ ma sát Giảm chấn trên ô tô là giảm chấn thuỷ lực, khi xe dao động, chất lỏng trong giảm chấn được pittông giảm chấn dồn từ buồng nọ sang buồng kia qua các lỗ tiết lưu Ma sát giữa chất lỏng với thành lỗ tiết lưu và giữa các lớp chất lỏng với nhau biến thành nhiệt nung nóng vỏ giảm chấn toả ra ngoài.
Bộ phận hướng: Có tác dụng đảm bảo động học bánh xe, tức là đảm bảo cho bánh xe chỉ dao động trong mặt phẳng đứng, bộ phận hướng còn làm nhiệm vụ truyền lực dọc, lực ngang, mô men giữa khung vỏ và bánh xe.
Thanh cân bằng ô tô: hay còn gọi là thanh giằng, là một thanh kim loại cứng kết nối các bộ phận trọng yếu dễ bị ảnh hưởng khi xe vào cua gấp hoặc di chuyển trên mặt đường gập ghềnh, giúp tăng độ vững chắc cho thân xe và giảm vặn xoắn khung xe.
Yêu cầu
Trên hệ thống treo, sự liên kết giữa bánh xe và khung vỏ cần thiết phải mềm nhưng cũng phải đủ khả năng truyền lực Quan hệ này được thể hiện ở những yêu cầu sau: Độ võng tĩnh ft (sinh ra dưới tác dụng của tải trọng tĩnh) phải nằm trong giới hạn đủ đảm bảo tần số dao động thích hợp cần thiết. Độ võng động fđ (sinh ra khi ô tô chuyển động) phải đủ đảm bảo vận tốc chuyển động của ô tô trên đường xấu nằm trong giới hạn cho phép, ở giới hạn này không có sự va đập lên bộ phận hạn chế Động học của các bánh xe dẫn hướng vẫn giữ đúng khi các bánh xe dẫn hướng dịch chuyển trong mặt phẳng thẳng đứng (nghĩa là chiều rộng cơ sở và các góc đặt trụ đứng của bánh xe dẫn hướng không đổi).
Có hệ số cản thích hợp để dập tắt nhanh dao động của vỏ và bánh xe. Đảm bảo sự tương ứng giữa động học của bánh xe với động học của dẫn động lái, dẫn động phanh.
Giảm tải trọng động khi ô tô qua đường ghồ ghề.
Phải đảm bảo an toàn, dễ sửa chữa, thay thế và giá thành hợp lý Ngoài ra có thể chế tạo được với trình độ công nghệ sản xuất trong nước.
Điều kiện làm việc
Làm việc trong điều kiện luôn chịu tải trọng tác dụng từ khối lượng được treo lên hệ thống.
Chịu tác dụng của các phản lực từ mặt đường tác dụng ngược lên.
Các bộ phận trong hệ thống làm việc trong điều kiện bị biến dạng, va đập và dịch chuyển tương đối.
Phân loại 1 Hệ thống treo theo cấu tạo bộ phận dẫn hướng
Phân loại hệ thống treo theo cấu tạo của phần tử đàn hồi
Phần tử đàn hồi là kim loại: nhíp lá, lò xo, thanh xoắn.
Phần tử đàn hồi là khí nén gồm: phần tử đàn hồi khí nén có bình chứa là cao su kết hợp sợi vải bọc làm cốt; dạng màng phân chia và dạng liên hợp.Phần tử đàn hồi là thủy khí có loại kháng áp và không kháng áp.
Phân loại hệ thống treo theo phương pháp dập tắt dao động
Dập tắt dao động nhờ các giảm chấn thủy lực gồm giảm chấn dạng đòn và dạng ống.
Dập tắt dao động nhờ ma sát cơ học ở trong phần tử đàn hồi và trong phần tử hướng.
Hình 1 1 Hệ thống treo độc lập và phụ thuộc
1- Hệ thống treo phụ thuộc 2- Hệ thống treo độc lập
Tìm hiểu hệ thống treo và lựa chọn phương án thiết kế 1 Hệ thống treo phụ thuộc
Hệ thống treo độc lập
Nguyên lý hoạt động: Hệ thống treo độc lập khi hai bánh xe trái và phải không có quan hệ trực tiếp với nhau Khi dịch chuyển bánh xe này trong mặt phẳng nằm ngang, bánh xe kia không chịu ảnh hưởng đó Hệ thống treo độc lập thường được sử dụng ở cầu trước ôtô du lịch, hiện nay có một số loại ô tô sử dụng hệ thống treo độc lập cho tất cả các cầu.
Hình 1 3 Kết cấu hệ thống treo phụ thuộc sử dụng lò xo trụ Ưu điểm:
Khi dịch chuyển bánh xe này trong mặt phẳng ngang bánh xe kia vẫn đứng nguyên, do đó động học bánh xe dẫn hướng được giữ đúng.
Khả năng quay vòng của xe tốt hơn, vì khi quay vòng đảm bảo được vận tốc quay của hai bánh xe trái và phải không bị ràng buộc nhiều như ở hệ thống treo phụ thuộc.
Khối lượng không được treo của hệ thống nhỏ hơn so với hệ thống treo phụ thuộc Do đó tăng trọng lượng bám, tăng độ êm dịu của ôtô. Đảm bảo khi dịch chuyển, các bánh xe không làm thay đổi các góc đặt bánh xe và chiều rộng cơ sở, do đó làm triệt tiêu hoàn toàn sự lắc của bánh xe đối với trụ đứng, dẫn đến không phát sinh mômen hiệu ứng con quay khi các bánh xe dịch chuyển thẳng đứng.
Kết cấu phức tạp gồm nhiều chi tiết.
Trong quá trình chuyển động, vết bánh xe không cố định do vậy xảy ra tình trạng mòn lốp nhanh.
Khi chịu lực bên (ly tâm, đường nghiêng, gió bên) hai bánh xe không liên kết cứng, vì vậy xảy ra hiện tượng trượt bên bánh xe.
Một số hệ thống treo độc lập dùng cho ô tô:
Hệ thống 1 đòn ngang (MacPherson)
Hệ thống phần tử đàn hồi thanh xoắn
1.3.2.1 Hệ thống treo độc lập đòn treo dọc:
Hình 1 4 Hệ thống treo độc lập 2 đòn dọc Ưu điểm:
Dễ dàng tháo lắp toàn bộ cầu xe, kết cấu đơn giản.
Có trọng lượng phần không được treo bé và chiều rộng cơ sở không thay đổi. Giảm nhẹ được lực tác dụng lên đòn ngang và các khớp quay, đồng thời không cần dùng đến thanh ổn định (dựng đòn liên kết có độ cứng nhỏ). Không có moment hiệu ứng con quay ở bánh xe dẫn hướng, không gây nên sự thay đổi góc nghiêng ngang bánh xe, động học dẫn động lái đúng.
Nhược điểm: Đòi hỏi công nghệ hàn cao, tải trọng đặt lên cầu xe hạn chế và có thể làm quay trục cầu xe khi đi trên đường vòng ở trạng thái quay vòng thừa. 1.3.2.2 Hệ thống treo độc lập hai đòn ngang Ưu điểm:
Khắc phục được sự phát sinh moment hiệu ứng con quay.
Triệt tiêu được sự rung của bánh xe đối với trục đứng.
Khắc phục được sự thay đổi độ nghiêng mặt phẳng quay của bánh xe.
Trọng tâm xe thấp, độ nghiêng thùng xe khi chịu lực ly tâm nhỏ.
Góc lệch và chuyển vị nhỏ nên có khả năng ổn định khi chuyển động ở tốc độ cao.
Khối lượng của phần không treo nhỏ đảm bảo độ êm dịu khi chuyển động trên đường gồ ghề.
Kết cấu phức tạp, chiếm khoảng không gian lớn trên xe.
Do sự thay đổi ∆B tương đối lớn nên lốp nhanh mòn. Độ ổn định ngang của bánh xe kém (khi quay vòng). Động học của bánh xe phụ thuộc vào độ dài của đòn dưới.
Chiều rộng cơ sở cũng như độ nghiêng bên thay đổi. a Hai đòn ngang hình bình hành
Loại hai đòn hình bình hành có kết cấu gồm hai đòn ngang có kích thước bằng nhau và một đòn đứng, kết hợp với khung xe tạo thành một cơ cấu bốn khâu hình bình hành Loại này có không có góc lệch trục α nhưng dịch chuyển ngang của bánh xe ∆B lớn. Để truyền được lục dọc, các đòn ngang có kết cấu hình chữ A hoặc chữ V. Nhưng do dịch chuyển ngang của bánh xe quá lớn, nên bộ phận hướng này cũng ít được dùng.
Hình 1 5 Hệ thống treo 2 đòn ngang hình bình hành b Hai đòn hình thang
Loại hai đòn hình thang được dùng rất phổ biến trên xe con và xe bán tải, xe tải nhỏ Loại này gồm hai đòn ngang không bằng nhau và một đòn đứng, kết hợp với khung xe tạo thành cơ cấu bốn khâu hình thang Các đòn liên kết với khung xe bằng các khớp bản lề Đòn ngang trên có chiều dài nhỏ hơn đòn ngang dưới Kết cấu này đảm bảo cho bộ phận hướng truyền đọc lực dọc và đảm bảo độ dịch chuyển ngang của bánh xe cùng với góc lệch trục bánh xe so với vị trí ban đầu trong giới hạn cho phép
Hình 1 6 Hệ thống 2 đòn treo hình thang
1.3.2.3 Hệ thống treo độc lập kiểu đòn chéo
Loại này thường được sử dụng trên các bộ phận hướng của hệ thống treo Việc dẫn hướng bánh xe được thực hiện các qua các đòn dẫn hướng hình tam giác được bố trí như hướng nghiêng Nhờ các ổ đỡ dẫn hướng nằm cách xa nhau nên có thể tiếp nhận được các lực dọc và ngang lớn, qua đó có thể cải thiện độ chính xác của việc bánh xe dẫn hướng Để cải thiện tính chuyển động của xe, đòn dẫn hướng tam giác được bố trí nghiêng xuống trục ngang Khi độ đàn hồi nén lại bánh xe có độ doãng âm, khi độ đàn hồi giãn lại bánh xe có độ doãng dương Lực bám ngang được cải thiện khi xe chạy trong vòng cua. Ưu điểm:
Tăng độ cứng vững nên tăng khả năng chịu lực ngang.
Giảm thiểu sự thay đổi của góc đặt bánh xe (độ chụm, vết bánh xe và góc nghiêng ngang của trụ đứng) xảy ra do bánh xe dao động trong phương thẳng đứng.
Kết cấu đơn giản và chiếm ít không gian.
Hình 1 7 Hệ thống treo kiểu đòn chéo
1.3.2.4 Hệ thống treo độc lập MacPherson
Bộ phận hướng trên hệ thống treo Mc Pheson là dạng biến thể của treo hai đòn trong đó đòn trên có chiều dài bằng 0 Vì không có đòn ngang trên nên khi bánh xe dao động, chiều dài đòn đứng sẽ thay đổi theo sự dịch chuyển của bánh xe theo chiều thẳng đứng
Hệ thống treo Mc Pheson có nhưng đặc diểm sau:
Cấu tạo của hệ thống treo này khá đơn giản.
Vì có ít chi tiết, nhẹ nên giảm được phần khối lượng không được treo. Nhờ có khoảng chiếm chỗ của hệ thống treo nhỏ nên khoảng sử dụng trong khoang động cơ tăng lên.
Nhờ có khoảng cách lớn giữa các điểm đỡ của hệ thống treo nên ít gặp phiền phức về căn chỉnh góc đặt bánh trước do lắp ghép không đúng hoặc do sai sót trong chế tạo các chi tiết Vì vậy, ngoại trừ độ chụm (của hai bánh xe trước) việc điều chỉnh góc đặt bánh xe thường là không cần thiết.
Nhưng nhược điểm của hệ thống Mc Pherson là do giảm chấn vừa phải làm chức năng của giảm chấn lại làm nhiệm vụ của trụ đứng nên trục giảm chấn chịu tải lớn
Theo phương pháp thế năng biến dạng đàn hồi độ cứng của nhíp được tính theo công thức sau: C=
E là mô đun đàn hồi của vật liệu, E=2,1.10 N/mm ; 5 2 α = 0,83÷0,87 Chọn α= 0,83; a = l – l ;k 1 k+1
Yk = 1/Ik;Ik = J + J + J +… J ; 1 2 3 kJ k =bhk
Do trong bộ nhíp có 2 lá nhíp cái có chiều dài và chiều dày giống nhau nên ta coi 2 lá nhíp cái là lá thứ nhất với:
Như vậy, khi tính toán theo phương án trên, lá nhíp này ngay dưới lá nhíp cuối cùng được coi là lá nhíp thứ 2
Bảng 2 2 Bảng tính độ cứng k lk mm ak+1 mm b mm hk mm jk mm 4 ik mm 4
=6.2,1 10 5 0,83 258763.4 84.9(N /cm) Độ võng tĩnh f: ft=Gt
Số lần dao động trong một phút: n= 300 √ft
√8.254.46 (lần/phút) Như vậy hệ thống treo thiết kế thoả mãn về độ êm dịu khi đầy tải.
2.2.5 Tính bền cho các lá nhíp
Khi tính toán chỉ tính cho 1/2 lá nhíp nên có các giả thiết:
Coi nhíp là loại 1/4 elíp với 1 đầu được gắn chặt, một đầu chịu lực
Bán kính cong của các lá nhíp bằng nhau, các lá nhíp chỉ tiếp xúc với nhau ở các đầu mút và lực chỉ truyền qua các đầu mút
Biến dạng ở vị trí tiếp xúc giữa 2 lá nhíp cạnh nhau thì bằng nhau l1 l2 lk ln-1 ln
Tại điểm B biến dạng lá thứ 1 và lá thứ 2 bằng nhau Tương tự tại điểm S biến dạng lá thứ k-1 và lá thứ k bằng nhau
Sử dụng công thức trên để tính biểu thức biến dạng tại các điểm tiếp xúc giữa 2 lá nhíp và cho chúng bằng nhau từng đôi một ta sẽ đi đến 1 hệ n-1 phương trình với n-1 ẩn là các giá trị X2,…Xn.
Hệ phương trình đó như sau :
−1) lk: chiều dài tính toán;
Jk: mô men quán tính của các tiết diện lá nhíp Jk=bhk
12 với b là chiều rộng lá nhíp, h là chiều dày lá nhíp thứ k.k
Ta có bảng giá trị:
Bảng 2 3 Bảng giá trị hệ phương trình k lk (mm) j (mmk 4) Ak Bk Ck
Hệ phương trình trở thành:
P: tải trọng tĩnh tác dụng lên nhíp.
2 87.5(N ) Giải hệ phương trình trên ta được:
Tính ứng suất tại các tiết diện nguy hiểm:
Hình 2 3 Biểu đồ Momen tác dụng lên 1 lá nhíp
Mô men tại điểm A: M = XA k.(lk – lk+1)
Mô men tại điểm B: M = XB k.lk- Xk+1.lk+1
Mô men chống uốn tại tiết diện tính toán:
Bảng 2 4 Bảng ứng suất tại các điểm đặc biệt
X (N) Wu(cm 3 ) MB(Ncm) MA(Ncm)
2.2.6 Tính độ bền tai nhíp
Sơ đồ tính bền tai nhíp được biểu diễn trên hình bên
D- đường kính trong của tai nhíp h0- chiều dầy lá nhíp chính, h = 4.5 mm.0 b- chiều rộng lá nhíp, b = 32 mm
Tai nhíp chịu tác dụng của lực kéo Pk hay lực phanh Pp Trị số của lực này được xác định theo công thức sau:
Zbx: Phản lực của đường lên bánh xe, Zbx = 3575N Pkmax 2502.5(N).
Tai nhíp làm việc theo uốn, nén (hoặc kéo) Ứng suất uốn ở tai nhíp là: σu=Mu
D+h0 bh0 Ứng suất kéo nén ở tai nhíp là: σ n =P kmax bh0 Ứng suất tổng hợp ở tai nhíp được tính theo công thức: σ th =P kmax (3D+h 0 bb 0 2 + 1 bh0
) Ứng suất tổng hợp cho phép [ th] = 350 MN/m2 = 35000 (N/cm2)
Như vậy đường kính trong lớn nhất của tai nhíp được xác định theo công thức:
32 4,5 2 ) 32 4,53 2 −4.5 2.42= (cm) Chọn đường kính tai nhíp: D = 2 cm Ứng suất tổng hợp lớn nhất sinh ra: σ th %02,5.(3.20 4.5+
32 4,5 2 + 1 32.4,5)0122.7 ( N mm 2 ) Vậy tai nhíp đủ bền.
2.2.7 Tính kiểm tra chốt nhíp Đường kính chốt nhíp được chọn bằng đường kính trong danh nghĩa của tai nhíp Dchốt = 2 mm
Chọn vật liệu chế tạo chốt nhíp là thép hợp kim có thành phần các bon (40), thì ứng suất chèn dập cho phép.
Kiểm nghiệm theo ứng suất chèn dập: σ chèndập =√ Z 2 +P 2
Như vậy ứng suất chèn dập sinh ra nhỏ hơn ứng suất cho phép của vật liệu, c hènd ậ p
