Chương 1: Dầm Cầu pot

CHƯƠNG 1 DẦM CẦU I.1. Công dụng, phân loại, yêu cầu Trong chương này từ “dầm cầu” dùng để chỉ chung cho vỏ cầu chủ động và bản thân cầu dẫn hướng không chủ động phía trước. Sử dụng quy ước: - Nếu cầu trước là dầm cầu dẫn hướng và không chủ động thì gọi là dầm cầu dẫn hướng; - Nếu cầu trước là dầm cầu dẫn hướng và chủ động thì gọi là vỏ cầu dẫn hướng; - Nếu cầu sau là dầm cầu chủ động và không dẫn hướng, gọi là vỏ cầu; - Nếu cầu sau là dầm cầu không chủ động và không dẫn hướng gọi là dầm cầu. I.1.1. Công dụng Dầm cầu dùng để đỡ toàn bộ trọng lượng phần được treo của ôtô. Dầm cầu sử dụng trên ôtô thường được dùng với hệ thống treo phụ thuộc. I.1.2. Phân loại a. Phân theo công dụng của cầu có thể chia ra: Dầm cầu không dẫn hướng; Dầm cầu dẫn hướng; Vỏ cầu; Vỏ cầu dẫn hướng. b. Phân theo phương pháp chế tạo vỏ dầm cầu, chia ra: Loại dập và hàn; Loại chồn; Loại đúc; Loại liên hợp. c. Phân theo kết cấu: Loại dầm cầu rời; Loại dầm cầu liền; I.1.3. Yêu cầu - Có hình dáng và tiết diện bảo đảm chịu được tác dụng của lực thẳng đứng, lực ngang, lực dọc trục và mômen xoắn trong thời gian làm việc; - Có độ cứng lớn nhưng trọng lượng bé; - Có độ kín tốt để giữ cho các chi tiết chuyển động tương đối của vỏ cầu chủ động hoạt động tốt; - Các góc đặt trên dầm cầu dẫn hướng phải đúng quy định. Hình I.1 Các loại dầm cầu I.2. Vỏ cầu không dẫn hướng I.2.1. Kết cấu Vỏ cầu là vỏ bọc ba cụm truyền lực chính, vi sai và truyền động đến các bánh xe chủ động. Vỏ cầu phía sau chịu tất cả trọng lượng của ôtô đặt lên các bánh xe của dầm cầu này. Nhận và truyền lên khung lực kéo, lực phanh, mômen phản lực và mômen phanh, mômen uốn do lực trượt ngang Y (đó là lực ly tâm khi ôtô quay vòng hoặc di chuyển trên đường nghiên …). Hình I.2. Các chi tiết trong vỏ dầm cầu. Để tăng cường độ cứng vững nơi đặt bộ truyền lực chính – vi sai có gia cố bằng các gân ở bên trong và bên ngoài vỏ. Ngoài ra, để gia cường độ cứng điểm tựa của bánh răng thứ cấp - bộ truyền lực chính – bằng cách đặt ổ tựa trực tiếp trong vỏ cầu. Trong vỏ cầu có đặt đệm chắn dầu để giữ không cho dầu chảy từ phần vỏ của bộ truyền lực chính sang vỏ nửa trục. Một đệm được lắp ngay trong đầu vỏ cầu nơi đặt bánh xe để chắn mở của ổ bi bánh xe. Đệm chắn dầu có thể có các lò xo ép và rãnh giữ cho đệm không bị lệch khi lắp vào nửa trục. Theo kết cấu vỏ cầu ôtô có hai loại: vỏ cầu liền và vỏ cầu ghép (rời) (cầu ghép có thể tháo rời ra được theo mặt phẳng đứng hoăc mặt phẳng ngang hay theo cả hai mặt phẳng). Hình I.3. Các chi tiết cấu tạo vỏ dầm cầu. I.2.2. Tính bền cho vỏ cầu sau a. Sơ đồ vỏ cầu sau Trên hình I.4 thể hiện kết cấu của nửa bên trái trên mặt chiếu bằng và trình bày sơ đồ lực tác dụng lên vỏ cầu sau của ôtô có công thức 4x2 trên mặt phẳng ngang (hình I.5), khi nó di chuyển trên đoạn đường vòng có tâm quay vòng nằm bên phải. Trên hình có bánh xe (1) được lắp phía đầu trục, bên trong bánh xe lắp đặt cơ cấu phanh thể hiện bằng đĩa phanh (2), để giảm bớt sự va đập từ mặt đường lên bánh xe, vỏ cầu lắp nhíp (3) làm nhiệm vụ đàn hồi và để di chuyển cần có thêm đòn liên kết (4). Hình I.4. Kết cấu bên ngoài của nửa vỏ cầu bên trái. Khi bánh xe được phanh – tức tác động vào đĩa phanh (2) - mômen phanh (M P ) sẽ truyền lên vỏ cầu, làm cho: - Đoạn giữa vỏ cầu, từ đĩa phanh và nhíp sẽ chịu xoắn (nếu nhíp vừa làm nhiệm vụ đàn hồi vừa truyền lực dọc lên khung); - Đoạn giữa vỏ cầu, từ đĩa phanh và đòn liên kết 4 (mặt cắt N-N) sẽ chịu xoắn, (nếu nhíp chỉ làm nhiệm vụ đàn hồi còn đòn liên kết 4 truyền lực dọc lên khung). b. Lực tác dụng lên dầm cầu Hình I.5. Sơ đồ lực trên vỏ cầu. Trên hình I.5. thể hiện kích thước, vị trí và lực tác dụng lên vỏ cầu, trong đó: G - Trọng lượng của phần được treo của ôtô; Y - Lực quán tính ly tâm, tại trọng tâm ôtô khi quay vòng; X j i2 - Lực kéo hay phanh tại điểm tiếp xúc của các bánh xe chủ động của vỏ cầu phía sau với mặt đường; Y T 2 , Y P 2 - Lực trượt ngang được phân bố tại điểm tiếp xúc giữa bộ nhíp với vỏ cầu bên trái hay bên phải; Y PT 2 , Y PP 2 - Phản lực trượt ngang tác dụng tại điểm tiếp xúc của bánh xe bên trái hay bên phải với mặt đường; Z T 2 , Z P 2 - Phản lực thẳng đứng tác dụng từ mặt đất, tại điểm tiếp xúc của bánh xe bên trái hay bên phải với mặt đường; R T 2 , R P 2 - Khối lượng phần được treo của ôtô tác dụng tại điểm tiếp xúc giữa bộ nhíp với vỏ cầu bên trái hay bên phải. B - Khoảng cách giữa hai bánh xe của vỏ cầu; B 1 - Khoảng cách giữa hai điểm tiếp xúc của bộ nhíp với vỏ cầu; d - Khoảng cách theo chiều cao từ trọng tâm đến điểm tiếp xúc giữa nhíp với dầm cầu; h g - Khoảng cách theo chiều cao từ mặt đất đến trọng tâm của ôtô; r bx - Bán kính bánh xe. - Các lực trượt ngang Y T 2 , Y P 2 , chúng nằm sát vỏ cầu nên mômen uống có thể bỏ qua, có tổng: Y T 2 + Y P 2 = Y PT 2 + Y PP 2 Mômen xoắn (M XK ) do lực kéo (X K ) truyền đến một bánh xe của vỏ cầu, được tính theo biểu thức sau: M XK = X T K2 .r bx = X P K2 .r bx = 2 0max iiM he (I - 1) Ở đó: X T K2 , X P K2 - Lực kéo của bánh xe chủ động bên trái và bên phải tại điểm tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường. Mômen xoắn (M XP ) cho một bánh xe, khi phanh ôtô được tính theo biểu thức sau: M XP = X T P2 .r bx = X P P2 .r bx = m 2P . ϕ . 2 2 G .r bx (I - 2) Với: X T P2 = X P P2 = m 2P . ϕ . 2 2 G Ở đó: m 2P - Hệ số thay đổi tải trọng tác dụng cầu sau khi phanh; G 2 - Tải trọng phân bố lên vỏ cầu khi ôtô đứng yên; φ - Hệ số của bánh xe với mặt đường. c. Tính bền cho vỏ dầm cầu sau c.1. chọn vật liệu Vỏ dầm cầu gồm nhiều phần hợp lại, nhưng vật liệu thường được chế tạo là: - Thép: là thép tốt (Crôm Nicken), thép 40X, 45 bằng phương pháp dập hoặc dập hàn. Dùng phương pháp dập hàn thì phải thường hóa trước khi gia công. - Gang: là gang tốt cải tiến bằng phương pháp đúc, rèn. c.2. Tính toán Để tính toán, nên thực hiện các bước thứ tự sau: + Tùy theo kết cấu của nửa trục mà ứng suất gây nên trong vỏ cầu này sẽ khác nhau. Cho nên, khi tính toán cần nghiên cứu sẽ sử dụng nửa trục loại nào, để rồi phân tích lực khi tính toán. + Xác định mômen chống uốn và chống xoắn của vỏ cầu. Tính toán vỏ cầu theo ba trường hợp sau: c.2.1. Tính vỏ cầu theo bền; Khi đã xác định mômen chống uốn và chống xoắn rồi tính ứng suất uốn và ứng suất xoắn cho tất cả các tiết diện của vỏ cầu ứng với ba chế độ sau: Thứ nhất: lực kéo (X Kmax ) hay lực phanh cực đại (X Pmaxx ); Thứ hai: ôtô bị trượt ngang khi quay vòng (Y = Y max ); Thứ ba: khi đi trên đường gồ ghề (Z = Z max ). Tính ứng suất uốn và ứng suất xoắn sử dụng các công thức của sức bền vật liệu. c.2.2. Tính vỏ cầu theo tải trọng động do trọng lượng bản thân dầm cầu tác động Để xác định ứng suất do trọng lượng bản thân cầu gây ra, chia cầu ra làm i phần riêng (i từ 8 ÷12 phần) và xác định trọng khối riêng của từng phần m i (hình I.6), sau đó cho gia tốc cố định đối với cầu khi qua đoạn đường mấp mô có thể xác định mômen uốn sinh ra do tải trọng động của chính cầu sau. Hình I.5. Sơ đồ lực trên vỏ dầm cầu sau. Tải trọng động do mỗi phần m i của cầu gây ra sẽ là: P dn = m i . dt dv ` (I - 3) Ở đó: m i - Khối lượng phần tử thứ I của cầu; dt dv - Gia tốc thẳng đứng của cầu sau, với gia tốc lớn dt dv có thể đạt trị số 100m/s 2 . Ứng suất lớn nhất trong mặt phẳng thẳng đứng là lúc Ụ đỡ cao su đập của sườn ôtô đập vào vỏ dầm cầu. Giá trị cực đại của hệ số k đ được tính theo biểu thức sau: k đ = t XZt σ σσσ ±± ` (I - 4) Ở đó: σ t - Ứng suất tĩnh; σ Z - Ứng suất động do dao động của phần tử treo; σ X - Ứng suất động do dao động của bản thân cầu. Chú ý: - Khi ôtô chuyển động trên đường bằng, khối lượng phần được treo ảnh hưởng nhiều đến ứng suất của vỏ dầm cầu; - Khi ôtô chuyển động trên mấp mô khối lượng phần không được treo ảnh hưởng nhiều đến giá trị ứng suất của vỏ cầu. c.2.3. Độ cứng của vỏ cầu Độ cứng của vỏ cầu ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền tuổi thọ của các nửa trục và các cơ cấu khác của dầm cầu. Ở đây, đánh giá độ cứng vỏ cầu theo độ võng cực đại quy về chiều rộng của hai vết bánh xe. Khi vỏ cầu có độ cứng cao, tải trọng phụ gây nên do độ võng của vỏ cầu lên các chi tiết là không lớn lắm. Nhưng khi vỏ cầu có độ cứng thấp, tải trọng phụ gây nên do độ võng của vỏ cầu sẽ tăng lên rõ rệt. Đối với ôtô tải, vỏ cầu có nửa trục giảm tải hoàn toàn, giá trị mômen M ’ làm uốn nửa trục khi vỏ cầu biến dạng dưới tác dụng của lực do khối lượng phần được treo tác dụng, và được tính theo biểu thức sau: M ’ = l JE 0 α (I - 5) Trong đó: α 0 - góc xoay của tiết diện đầu ngoài nửa trục bằng góc xoay của tiết diện vỏ cầu tại chỗ gắn mặt bích; l - chiều dài nửa trục. Ứng suất cho phép của vỏ cầu không được vượt quá giá trị: - Đối với gang rèn: 300kN/m 2 ; - Đối với thép ống: 500kN/m 2 . I.3. Dầm cầu dẫn hướng Dầm cầu dẫn hướng trên ôtô thường là dầm cầu phía trước. Nó phải bảo đảm cho các bánh xe dẫn hướng quay vòng dể dàng và ổn định khi chuyển động. Vỏ cầu trước vừa chủ động vừa dẫn hướng, ngoài nhiệm vụ dẫn hướng nó còn phải truyền mômen quay đến các bánh xe và truyền lực đẩy lên khung cho ôtô di chuyển. I.3.1. Kết cấu Tỳ theo hệ thống treo mà có kết cấu của dầm cầu dẫn hướng: Dầm cầu dẫn hướng không chủ động, liền: bao gồm dầm ngang (1) nối với khung qua nhíp (6). Hai đầu dầm cầu có hai lỗ hình trụ. Trục đứng (2) đặt trong các lỗ hình trụ ấy và được định vị bằng chốt (5). Trục đứng nằm trong con quay (3), nên hai bánh xe cùng con quay đều quay được quanh trục đứng. Dầm cầu thường có tiết diện dạng chữ I, ống tròn hoặc elíp để chịu uốn, chịu xoắn. Để hạ thấp được trọng tâm của ôtô bằng cách uốn cong dầm cầu về phía mặt đất trong mặt phẳng đứng để lắp đặt động cơ. Hình I.6 Dầm cầu dẫn hướng liền được sử dụng rộng rãi trên ôtô tải và khách. Giữa trục đứng và cam quay có thể đặt ổ bi tỳ (ổ bi cầu hoặc ổ lăn) – thường có bộ phận chắn bụi để giúp giảm bớt bụi bẩn chui vào ổ bi. Trọng lượng phần được treo và trọng lượng bản thân dầm cầu sẽ được truyền qua ổ bi tỳ, trọng lượng truyền qua ổ bi lúc ổ bi không quay là lớn nên tuổi thọ của ổ bi giảm. Vì vậy, để tăng tuổi thọ cho ổ bi, bạc trượt dùng để thay thế và nó được sử dụng rộng rãi hiện nay. Trong cam quay có đặt bạc trượt trên, bạc trượt dưới cho trục đứng và thường có vú mở. Dầm cầu, khi dùng bộ nhíp: - Vừa có chức năng đàn hồi và vừa truyền được lực dọc, thì nhíp phải được đặt ngang và được lắp chặt trên mặt phẳng của dầm cầu, mặt phẳng này có bốn lỗ để ghép hai quang nhíp và một lỗ cụt ở giữa để đặt đầu bulông trung tâm bộ nhíp; - Làm nhiệm vụ đàn hồi thì nhíp có thể được đặt ngang hay dọc theo dầm cầu và dầm cầu phải có chi tiết làm nơi lắp đòn nối để truyền lực dọc lên khung. I.3.2. Tính toán dầm cầu dẫn hướng I.3.2.1. Sơ đồ dầm cầu dẫn hướng Trên hình I. trình bày sơ đồ dầm cầu dẫn hướng trên mặt phẳng ngang. Trong bánh xe 1 có đặt phanh, khi phanh bánh xe 1, thì mômen phanh M P sẽ truyền đến: - Từ đầu dầm cầu đến chỗ đặt bộ nhíp sẽ chịu uốn và xoắn do mômen phanh (M P ) tác dụng; - Đoạn giữa hai bộ nhíp – trong mặt phẳng đứng – sẽ chịu uốn do các lực Z 1 , Z 2 và Y 1 , Y 2 . Dầm cầu còn chịu uốn trong mặt phẳng ngang do lực phanh X P . I.3.2.2. Lực tác dụng lên dầm cầu dẫn hướng Ôtô đang di chuyển vào đường vòng với tâm quay vòng nằm bên phải thì các lực và phản lực trên dầm cầu dẫn hướng được thể hiện như trên hình I Hình I.7 Trên hình I.5. thể hiện kích thước, vị trí và lực tác dụng lên vỏ đầm cầu, trong đó: G - Trọng lượng của phần được treo của ôtô; Y - Lực quán tính ly tâm, tại trọng tâm ôtô khi quay vòng; X j P1 - Lực phanh tại điểm tiếp xúc của các bánh xe của dầm cầu dẫn hướng với mặt đường; Y T 1 , Y P 1 - Lực trượt ngang được tác dụng tại điểm tiếp xúc giữa bộ nhíp với dầm cầu dẫn hướng bên trái hay bên phải; Y PT 1 , Y PP 1 - Phản lực trượt ngang tác dụng tại điểm tiếp xúc của bánh xe bên trái hay bên phải với mặt đường; Z T 1 , Z P 1 - Phản lực thẳng đứng tác dụng từ mặt đất, tại điểm tiếp xúc của bánh xe bên trái hay bên phải với mặt đường; R T 1 , R P 1 - Khối lượng phần được treo của ôtô tác dụng tại điểm tiếp xúc giữa bộ nhíp với dầm cầu dẫn hướng bên trái hay bên phải. l - Khoảng cách từ điểm tiếp của bánh xe với mặt đường với điểm tiếp xúc của bộ nhíp với dầm cầu; B - Khoảng cách giữa hai bánh xe của dầm cầu; B 1 - Khoảng cách giữa hai điểm tiếp xúc của bộ nhíp với dầm cầu; d - Khoảng cách theo chiều cao từ trọng tâm đến điểm tiếp xúc giữa nhíp với dầm cầu; h g - Khoảng cách theo chiều cao từ mặt đất đến trọng tâm của ôtô; r bx - Bán kính bánh xe. Các lực trượt ngang Y T 1 , Y P 1 , chúng nằm sát dầm cầu nên mômen uống có thể bỏ qua, có tổng: Y T 1 + Y P 1 = Y PT 1 + Y PP 1 I.3.2.3. Ảnh hưởng các lực lên dầm cầu chủ động a. Lực phanh đạt cực đại (X j P1 → X j P1 max ) Để lực phanh cực đại, xem ôtô đang di chuyển trên mặt đường phẳng (k đ = 1) và thẳng, không có lực trượt ngang (tức Y = 0). Do đó, dầm cầu dẫn hướng sẽ ảnh hưởng bởi lực phanh cực đại (X j P1 max ) và phản lực (Z j P1 ) tại các bánh xe. Lực phanh cực đại (X j P1 max ) sinh ra: - Mômen xoắn (M XP ), sẽ tính theo biểu thức sau: M XP = X T P1 .r bx = X P P1 .r bx = m 1P . ϕ . 2 1 G .r bx (I - 6) Với: X T P1 = X P P1 = m 1P . ϕ . 2 1 G Ở đó: m 1P - Hệ số thay đổi tải trọng tác dụng cầu trước khi phanh; G 1 - Tải trọng phân bố lên cầu trước khi ôtô đứng yên; φ - Hệ số của bánh xe với mặt đường. - Và mômen uốn (M UX ) trong mặt phẳng ngang: M UX = X T P1 .l = X P P1 .l = ϕ . 2 1 G .m 1P .l (I - 7) Phản lực (Z j P1 ) sinh ra mômen uốn trong mặt phẳng đứng và được tính: M Z = Z T P1 .l = Z P P1 .l = 2 1 G .m 1P .l (I - 8) b. Lực trượt ngang đạt cực đại (Y j P1 → Y j P1 max ) [...]... dầm cầu dẫn hướng sẽ ảnh hưởng bởi lực trượt ngang (Y 1jP max) và phản lực (Z 1jP ) tại các bánh xe T Phản lực trượt ngang (Y 1P max) sinh ra mômen uốn (MUXi) trong mặt phẳng đứng: - Ở nửa dầm cầu bên trái: G1  2.ϕ hg  T  rbx ϕ 1 + MUZT = Z 1P l = (I - 9)   2  B  - Ở nửa dầm cầu bên phải: MUZP = Z 1PP l = G1 ϕ 2  2.ϕ hg 1 −  B    (l+φ.rbx)   I.3.3 Tính toán một số chi tiết của dầm cầu. .. 2  B  - Ở nửa dầm cầu bên phải: MUZP = Z 1PP l = G1 ϕ 2  2.ϕ hg 1 −  B    (l+φ.rbx)   I.3.3 Tính toán một số chi tiết của dầm cầu dẫn hướng I.3.3.1 Cam quay I.3.2.2 Trục đứng I.3.2.2 Ổ bi dầm cầu trước dẫn hướng (I-10) . ước: - Nếu cầu trước là dầm cầu dẫn hướng và không chủ động thì gọi là dầm cầu dẫn hướng; - Nếu cầu trước là dầm cầu dẫn hướng và chủ động thì gọi là vỏ cầu dẫn hướng; - Nếu cầu sau là dầm cầu chủ. hướng, gọi là vỏ cầu; - Nếu cầu sau là dầm cầu không chủ động và không dẫn hướng gọi là dầm cầu. I.1.1. Công dụng Dầm cầu dùng để đỡ toàn bộ trọng lượng phần được treo của ôtô. Dầm cầu sử dụng trên. theo dầm cầu và dầm cầu phải có chi tiết làm nơi lắp đòn nối để truyền lực dọc lên khung. I.3.2. Tính toán dầm cầu dẫn hướng I.3.2.1. Sơ đồ dầm cầu dẫn hướng Trên hình I. trình bày sơ đồ dầm cầu