Chương 1 - Những vấn đề chung về ô tô

Chương 1 - Những vấn đề chung về ô tô (Phần 1 - Kết cấu và Tính toán ô tô) - thư viện tri thức - kho tài liệu - tài liệu đại học - cao đẳng

Chương 1 - Những vấn đề chung về ô tô 1.1 Cấu tạo chung của ô tô

Ô tô là phương tiện vận tải đường bộ theo ý nghĩa của tên gọi automobil, có nghĩa là tự mình chuyển động Theo quan điểm động lực học người ta có thể chia ô tô thành các phần sau đây 1.1.1 Động cơ

Động cơ là nguồn năng lượng cơ học, phần lớn sử dụng động cơ đốt trong, động cơ điện kèm theo nguồn điện

1.1.2 Gầm bệ

Gồm có:

+ Hệ thống truyền lực: gồm các cơ cấu, tổng thành làm nhiệm vụ truyền momen xoắn từ động cơ đến bánh xe chủ động, có thể thay đổi giá trị và chiều quay của momen xoắn theo ý muốn của người sử dụng Bao gồm: li hợp, hộp số, hộp phân phối (nếu có), truyền động các đăng, truyền lực chính, vi sai, bán trục, truyền lực bánh xe (nếu có), bánh xe chủ động

+ Bộ phận vận hành: là nơi lắp đặt tất cả các tổng thành của ô tô và đưa xe chuyển động trên đường Bao gồm khung xe, dầm cầu, hệ thống treo, bánh xe

+ Các hệ thống điều khiển phương hướng chuyển động của ô tô, điều khiển sự dừng khẩn cấp hoặc chậm dần tốc độ ô tô Bao gồm: hệ thống lái, hệ thống phanh

1.1.3 Thân – vỏ

Là phần công tác hữu ích của ô tô dùng để chở khách, hoặc hàng hóa, đối với xe tải có buồng lái và thùng xe, xe con, xe khách là chỗ của người lái và hành khách

1.2 Phân loại ô tô

Như cầu về vận chuyển hàng hóa, hành khách bằng các phương tiện vận tải ô tô rất lớn Để đáp ứng đầy đủ các yêu cầu vận chuyển đó, ô tô có rất nhiều chủng loại khác nhau được phân loại theo sơ đồ hình 1.1

Ngoài ra có thể phân loại ô tô theo nhiên liệu dùng cho động cơ:

+ Ô tô chạy xăng , ô tô chạy dầu diesel, ô tô chạy điện, ô tô chạy bằng khí ga…hoặc theo điều kiện sử dụng: ô tô thường, ô tô có tính việt dã

1.3 Những yêu cầu chung đối với ô tô

Các ô tô khi chế tạo thường phải đạt những yêu cầu sau đây:

+ Yêu cầu về thiết kế

+ Xe phải mang tính hiện đại: các tổng thành có các kết cấu mới, hiện đại, kích thước nhỏ gọn, bố trí hợp lý, phù hợp với điều kiện khí hậu, địa hình

+ Vỏ xe phải đẹp phù hợp với yêu cầu về thẩm mỹ công nghiệp

+ Vật liệu chế tạo chi tiết phải có độ bền cao, chống mòn tốt, nhằm nâng cao độ tin cậy và tuổi bền của xe Triệt để sử dụng vật liệu nhẹ, tổng hợp để giảm tự trọng của xe

+ Kết cấu của các chi tiết phải có tính công nghệ cao dễ gia công, số nguyên trong qui trình công nghệ chế tạo ít

+ Những yêu cầu về sử dụng

+ Xe phải có tính năng động lực cao, vận tốc trung bình lớn để nâng cao năng suất vận chuyển

+ Xe phải đảm bảo tính tiện nghi cho lái xe và hành khách thao tác nhẹ nhàng, dễ dàng, đảm bảo tầm nhìn tốt

+ Đưa công nghệ tiên tiến, dùng bộ điều khiển điện tử vào trong kết cấu, các mạch xử lý

để nâng cao tính kinh tế, tính động lực, tính an toàn của ô tô nhất là hệ thống lái, phanh…

+ Kích thước và hình dáng thùng xe phải hợp lý để nâng cao hệ số sử dụng trọng tải, bốc xếp hàng hóa dễ dàng

+ Xe chạy êm, không ồn, giảm lượng độc hại trong khí xả

+ Yêu cầu về bảo dưỡng, sửa chữa

+ Để giảm chi phí cho bảo dưỡng, sửa chữa, tăng hệ số ngày xe tốt người ta phải cải tiến kết cấu, thay thế các kết cấu bôi trơn bằng bôi trơn vĩnh cửu (không cần bôi trơn) Bố trí các điểm bôi trơn thuận lợi, dễ thao tác

+ Kết cấu của xe đảm bảo cho tháo lắp dễ dàng, thuận tiện cho công tác bảo dưỡng, sửa chữa, thay thế phụ tùng…

1.4 Bố trí chung trên ô tô

Bố trí động cơ và các tổng thành trên ô tô phải thỏa mãn các yêu cầu cơ bản sau:

+ Hệ số sử dụng chiều dài λ phải lớn

λ= l L

Trong đó:

l – chiều dài thùng chứa hàng (bùng chứa) (m)

L – chiều dài toàn bộ của ô tô (m)

+ Chỗ ngồi của người lái phải đảm bảo an toàn dễ thao tác và vệ sinh công nghiệp, có chỗ

để kiểm tra, bảo dưỡng các tổng thành

+ Sự phân bố tải trọng lên các cầu phải hợp lý sao cho bảo đảm yêu cầu về kéo, bám, hãm, chuyển hướng ổn định

1.4.1 Bố trí động cơ (Hình I.2)

Trên hình(I.2a) bố trí động cơ ở phía trước ngoài buồn lái sử dụng nhiều trên xe tải

Ưu điểm: dễ kiểm tra, bảo dưỡng, điều chỉnh, bố trí cơ cấu điều khiển động cơ, li hợp, hộp số… thuận lợi

Nhược điểm: hệ số λ nhỏ, tầm nhìn của người lái kém.

+ Hình (I.2.b,c) động cơ đặt ở phía trước, trong buồng lái ta thấy tầm nhìn của lái xe tốt,

nâng cao được λ, song kiểm tra và bảo dưỡng động cơ khó Khắc phục nhược điểm này

ta làm buồng lái lật được (I.2.h)

+ Hình (I.2.d): Động cơ đặt đằng sau thường sử dụng ở xe con, xe khách Theo kiểu bố trí này vị trí của người lái ngồi rất tốt, khoang khách được cách nhiệt tốt, kết cấu truyền lực gọn, tăng độ bám Việc điều khiển động cơ, li hợp, hộp số … phức tạp

+ Hình (I.2.e): bố trí động cơ ở dưới sàn, thường sử dụng ở xe khách có ưu điểm như phương án trên song làm giảm khoảng sáng gầm xe và khó kiểm tra, bảo dưỡng, sửa chữa Việc điều khiển động cơ, li hợp, hộp số … từ xe nên phức tạp

1.4.2 Bố trí hệ thống truyền lực

Có rất nhiều kiểu bố trí hệ thống truyền lực ở ô tô, tùy theo tổng số bánh xe và số lượng bánh chủ động của một ô tô Ta kí hiệu 4x2; 4x4; 6x4; 6x6 … là các công thức bánh xe, trong

đó số thứ thức biểu thị tổng số bánh xe của một xe (loại bánh kép cũng chỉ tính một bánh xe), số thứ hai chỉ số bánh xe chủ động Kiểu hệ thống truyền lực có ảnh hưởng rất lớn đến

bố trí chung toàn xe

Ở sơ đồ hình (I.3a) động cơ được đặt ở phía trước xe dẫn động chủ động phía sau Sơ đồ này tương đối phù hợp với ô tô vận tải nó tận dụng được lực bám khi xe đầy tải Theo sơ đồ này trục truyền các đăng tương đối dài nên người ta lắp ổ đỡ trung gian cho trục truyền; ta gặp trên các ô tô Gaz 53, ZiL 130, MAZ, Giải phóng,…

Ở sơ đồ hình (I.3b) động cơ và cần chủ động đều được bố trí ở phía trước, nên kết cấu hệ thống truyền lực khá gọn (có thể động cơ và cầu chủ động cùng đặt ở phía sau) Thông thường loại bố trí này sử dụng ở hệ thống treo độc lập Trong trường hợp này toàn bộ các cụm động cơ, li hợp, hộp số, truyền lực chính, vi sai được lắp trên khung xe qua gối đỡ cao

su đàn hồi Như vậy cả cụm tổng thành này không có chuyển động tương đối so với khung

xe trong quá trình hoạt động Sự dịch chuyển tương đối của bánh xe hoặc 6x6 như hình (I.3c,d,…k) Có thêm hộp số phân phối (8) để phân phối momen xoắn đến các cầu hoặc có thêm hộp trích công suất (7) để truyền momen xoắn đến tang tời (10) Có thể truyền động các đăng đến cầu giữa rồi ra cầu sau hoặc từ hộp phân phối ra cầu giữa và cầu sau riêng (k) 1.5 Tải trọng tác dụng lên các cơ cấu và chi tiết của ô tô

Ô tô là một hệ thống động lực học phức tạp, chuyển động với tốc độ cao trên các loại đường khác nhau, cho nên tình trạng chịu tải không đơn giản Khi nghiên cứu độ bền của các kết cấu, chi tiết ô tô ngoài tải trọng tĩnh cần xét đến tải trọng động Thông qua sự tổng hợp giữa tải trọng tĩnh, hệ số hoàn toàn, thống kê xác suất tải trọng động, chúng ta có một chế độ tải trọng tính toán và thiết kế

Trên mỗi loại ô tô, giá trị lớn nhất của momen xoắn M emax của động cơ đã được xác định, ta

coi M emax là tải trọng tĩnh Tùy theo điều kiện sử dụng (khi xe chạy) có lúc các cơ cấu và chi tiết của ô tô chịu những tải trọng rất lớn nhưng thời gian tác dụng ngắn … Chúng ta có thể

sử dụng hệ số tải trọng động

K đ=Tảitrọng động Tải trọng tĩnh

Để biểu thị mức độ ảnh hưởng lúc có tải trọng động, ta sẽ xét một số trường hợp thường gặp phát sinh tải trọng động

1.5.1 Đóng li hợp đột ngột

Khi khởi hành ô tô việc đóng li hợp đột ngột sẽ sinh ra tải trọng động rất lớn, vì tốc độ góc của phần bị động tăng lên rất nhanh trong một thời gian ngắn do đó dẫn đến sự xuất hiện gia tốc góc và momen quán tính Ta thấy xe bị giật mạnh hoặc động cơ chết máy

Hiện nay chưa có phương pháp giải tích để tính toán tải trọng động sinh ra trong trường hợp này Thường sử dụng công thức kinh nghiệm có khái niệm về định tính:

K đ=β i+8

i

β : hệ số dự trữ momen của li hợp (xem ở chương II)

i : tỉ số truyền chung cho cả hệ thống truyền lực ứng với tay số đang nghiên cứu.

Kết quả thí nghiệm đóng li hợp đột ngột của xe GAZ – 51

Khởi hành tại chỗ với các

tay số

Hệ số K đ khi nối bộ li hợp đột ngột

Tỉ lệ giữa momen động và tĩnh của bộ li hợp

1.5.2 Phanh mà không cắt li hợp

Những trường hợp khẩn cấp người ta phanh ô tô không cắt bộ li hợp, lúc này tải trọng động gây ra dưới dạng momen quán tính Đặc trưng của trường hợp này được biểu diễn bằng sơ

đồ sau:

Khi phanh do tác dụng của cơ cấu phanh nên xe chuyển động chậm dần với gia tốc âm J p

nên xuất hiện momen quán tính

M j=JBĐ ε

Trong đó:

J BĐ – momen quán tính của bánh đà (kg m2)

ε – gia tốc góc (−s2)

M j – tải trọng động (N.m)

Quan hệ giữa ε và J p như sau:

ε= i o i h

Trong đó:

i o : tỉ số truyền của truyền lực chính

i h : tỉ số truyền của hộp số ứng với tay số đang sử dụng

r bx : bán kính bánh xe (m)

J p : gia tốc phanh (m s−2)

Điều kiện phanh tốt nhất là P pmax=Pφ=Gb φ thì có gia tốc phanh lớn nhất

J max=gφ

δ

Trong đó:

φ : hệ số bám

g : gia tốc trọng trường (m s−2)

δ : hệ số kể đến ảnh hưởng của các chi tiết chuyển động quay, trong lý thuyết ô tô δ được

tính:

δ=1+

g∑

i=1

n

J bx

G r bx2 +g J bđ i o2i h2η

G r bx2

Trong đó:

G : trọng lượng của ô tô (N)

J bx : momen quán tính của một bánh xe (kg m2)

n : số lượng bánh xe ô tô

η : hiệu suất truyền lực

Và momen lực quán tính lớn nhất là:

M Jmax=JBĐ i o i h

r bx .

φg

Từ đây ta có nhận xét :

- Nếu β M ms<M J max thì li hợp bị trượt, không truyền M Jmax xuống hệ thống truyền lực

tránh được tải trọng động này

- Nếu M Jmax<M ms β li hợp không bị trượt, M Jmax sẽ tác động lên hệ thống truyền lực + Khi bánh xe đã bị hãm nhưng M Jmax vẫn tác dụng lên hệ thống truyền lực làm cho nó bị xoắn (xét trường hợp li hợp không bị trượt) Trước khi động cơ dừng bánh đà chuyển động chậm dần với gia tốc góc d ω BĐ

dt làm xuất hiện lực quán tính:

M J=JBĐ d ω BĐ

Cùng với góc quay φ BĐ , M J này sẽ truyền qua li hợp, gây xoắn hệ thống truyền lực, quan hệ góc xoắn được tính theo:

φ BĐ=φ c i h+φn i o i h (1.6)

Trong đó:

φ c : góc xoắn của trục các đăng (rad)

φ n : góc xoắn của nửa trục bên trái (rad) các góc xoắn tính theo “sức bền vật liệu”

φ c=M J i h i c l c

J c G

φ n=M J i o i n l n

2 J n G

Trong đó:

l c ,l n : chiều dài của trục các đăng và nửa trục (m)

J c , J n : momen quán tính độc cực của tiết diện trục các đăng và nửa trục (m4)

G : momen trượt của vật liệu (N m−2)

Thay các giá trị φ c , φ n vào (1.6) ta có:

φ BĐ=M J( i h

2

l c

J c G+

i o2i h2l n

2 J n G)

Nếu gọi C= 1

i h2l c

J c G+

i o2i2h l n

2 J n G

(N m rad−1)

(1.7)

Là độ cứng chống xoắn của hệ thống truyền lực khi các bánh xe cùng bị hãm lúc đó momen quán tính có thể viết:

Từ (1.5) và (1.8) ta có:

J BĐ=d ω BĐ

Giải phương trình vi phân (1.9) bằng phương pháp tách biến và điều kiện ban đầu (ω BĐO)

(tốc độ góc của bánh đà lúc bắt đầu chuyển động chậm dần) ta có:

φ BĐmax=ω BĐO√J BĐ

Giá trị M j có trị số cực đại khi đang sử dụng ở số truyền thẳng i h=1 hoặc số truyền tăng

i h<1

1.6 Tải trọng tính toán dùng trong thiết kế ô tô

1.6.1 Tải trọng tính toán dùng cho hệ thống truyền lực

Tính toán ô tô theo tải trọng động rất phức tạp vì nó thay đổi tùy từng điều kiện sử dụng và đường sá Hiện nay người ta chủ trương tính toán ô tô theo tải trọng tĩnh và có xét đến điều

kiện động bằng cách chọn hệ số an toàn thích hợp hoặc đưa vào hệ số tải trọng động bằng thực nghiệm

Phương pháp xác định tải trọng tính toán: tính momen từ động cơ và momen theo sự bám giữa bánh xe và mặt đường truyền đến chi tiết đang nghiên cứu (trong lý thuyết ô tô đã đề

cập đến điều kiện tốt nhất là momen kéo tại bánh xe chủ động bằng momen bám M k=M φ, nếu M k>M φ (chỉ dùng phần M k=Mφ ) còn phần M k thừa sẽ làm cho bánh xe quay trượt

Nếu M φ>M k sẽ không sử dụng hết lực bám và chi tiết chỉ chịu tải M k).

- Momen truyền từ động cơ đến chi tiết tính toán được tính:

Trong đó:

M emax : momen xoắn lớn nhất của ô tô động cơ (N.m)

i : tỉ số truyền từ động cơ đến chi tiết cần tính toán

η : hiệu suất truyền lực động cơ đến chi tiết tính toán

- Momen tính theo điều kiện bám:

M φ=X P bx φ r bx

Trong đó:

X : số lượng bánh xe chủ động

P bx : tải trọng thẳng đứng tác dụng lên 1 bánh xe chủ động (N)

φ : hệ số bám (0,7 ÷ 0,8)

r bx : bán kính bánh xe (m)

i φ : tỉ số truyền từ chi tiết đang tính toán đến bánh xe chủ động

η φ : hiệu suất truyền lực từ chi tiết tính toán đến bánh xe chủ động.

1.6.2 Chế độ tải trọng tác dụng ên cơ cấu phanh

Ta chọn chế độ tính toán cho cơ cấu phanh khi phanh đạt hiệu suất cực đại là M p=M φ (hoặc P p=P φ) sử dụng toàn bộ lực bám của xe khi phanh đến khi bánh xe sắp (hoặc gần) trượt lê ta có M p=M φ+z bx r bx φ Đối với ô tô hai cầu momen phanh phía trước và phía sau

được xác định:

M p 1=φ rbx m o

2 L g(b+φ h g)

M p 1=φ rbx m o

2 L g(a−φ h g) } (1.16)

Trong đó:

Z bx : phản lực thẳng đứng tác dụng lên bánh xe (N)

L , h g , a , b : chiều dài cơ sở, chiều cao trọng tâm xe, khoảng cách từ trọng tâm xe đến cầu

trước, cầu sau (m)

g : gia tốc trọng trường (m s−2)

m o : hệ số phân bố tải trọng

Thông thường chọn φ ltb=0,4 ÷0,55 khi phanh với cường độ cực đại trên đường có φ<φ tb

bánh trước bị khóa cứng và trượt lê, xe mất tính dẫn hướng; còn φ> φ tb thì bánh sau bị khóa cứng trước

6.1.3 Tải trọng tác dụng lên hệ thống lái

- Momen cực đại tác dụng lên vành tay lái

M=P max R (N.m)

R : bán kính vành tay lái (m)

P max : lực cực đại tác dụng lên vành tay lái, với xe tải chọn khoảng (400 ÷ 500) N, với xe con chọn khoảng (150 ÷ 200 ) N

Ngoài ra với các chi tiết của hệ thống treo và cầu khi tính toán sức bền ngoài việc dựa vào tải trọng cực đại tác dụng thông qua tải trọng tĩnh còn phải kể đến hệ số tải trọng động

Thực nghiệm đã chỉ rõ hệ số tải trọng động tăng khi độ cứng của hệ thống treo và tốc độ chuyển động tăng và tải trọng của ô tô giảm Vì vậy khi tính người ta lựa chọn sao cho thật phù hợp