tính toán thiết kế hệ thống treo trước của xe vân tải hạng trung

Công dụng, phân loại Hệ thống treo là một tổ hợp các cơ cấu thực hiện liên kết các bánh xe cầuxe với khung xe vỏ xe để đảm bảo độ êm dịu và an toàn chuyển động trên cơ sở tạo ra các dao

Chơng 1

Phân tích đặc điểm kết cấu 1.1 Công dụng, phân loại

Hệ thống treo là một tổ hợp các cơ cấu thực hiện liên kết các bánh xe (cầuxe) với khung xe (vỏ xe) để đảm bảo độ êm dịu và an toàn chuyển động trên cơ

sở tạo ra các dao động của thân xe và bánh xe theo ý muốn, giảm các tải trọng

va đập cho xe khi chuyển động trên địa hình không bằng phẳng Ngoài ra hệthống treo còn dùng để truyền các lực và mô men tác động giữa bánh xe vàkhung xe (vỏ xe)

Hệ thống treo bao gồm 4 phần tử chính sau:

a) Theo cấu tạo của phần tử h ớng

- Hệ thống treo phụ thuộc: là hệ thống treo mà bánh xe bên trái và bênphải của một cầu đợc liên kết cứng với nhau bằng dầm cầu liền hoặc vỏ cầucứng Khi đó dao động hoặc chuyển dịch (trong mặt phẳng ngang hoặc mặtphẳng thẳng đứng) của bánh xe bên này làm ảnh hởng, tác động đến bánh xebên kia và ngợc lại

Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống treo phụ thuộc.

(1-Thân xe; 2-Giảm chấn; 3-Dầm cầu; 4-Nhíp)

Ưu điểm của hệ thống treo phụ thuộc là cấu tạo đơn giản giá thành khôngcao và đảm bảo độ êm dịu cần thiết cho các xe có tốc độ chuyển động khôngcao Nếu hệ thống treo phụ thuộc có phân tử đàn hồi loại nhíp thì nó làm đợc cả

nhiệm vụ của phần tử hớng Hệ thống treo phụ thuộc đợc sử dụng ở rất nhiều xenh: GAZ-53; GAZ-66; ZIL-130, 131 (cầu trớc); KRAZ; KAMAZ; (hình 1.1).

- Hệ thống treo độc lập: là hệ thống treo mà bánh xe bên trái và bánh xebên phải không có liên kết cứng với nhau, chúng chỉ đợc nối gián tiếp với nhauthông qua khung xe hoặc vỏ xe Chính vì vậy mà dao động hay chuyển dịch củacác bánh xe là độc lập nhau

Hình 1.2: Sơ đồ hệ thống treo độc lập

u điểm của hệ thống treo độc lập là bảo đảm độ êm dịu chuyển động của

xe nhng kết cấu phức tạp, giá thành đắt nên chỉ đợc sử dụng ở một số cầu trớc xe

Hình 1.3: Sơ đồ hệ thống treo cân bằng.

b) Theo cấu tạo của phần tử đàn hồi :

Có các loại nh sau:

- Phần tử đàn hồi là kim loại gồm: nhíp lá, lò xo, thanh xoắn Đây là loạiphổ biến nhất ở các ô tô quân sự và xe bọc thép bánh hơi.

- Phần tử đàn hồi là khí nén gồm: phần tử đàn hồi khí nén có bình chứa làcao su kết hợp sợi vải bọc cao su làm cốt, dạng màng phân chia và dạng liên hợp

- Phần tử đàn hồi là thuỷ khí có loại kháng áp và loại không kháng áp

- Phần tử đàn hồi là cao su có loại làm việc ở chế độ nén và làm việc ở chế

1.2.Yêu cầu đối với hệ thống treo.

* Các yêu cầu chung của hệ thống treo:

+ Đảm bảo độ êm dịu cần thiết khi xe chuyển động

Độ êm dịu chuyển động của ô tô quân sự đợc đánh giá qua giá trị chophép của các thông số nh tần số dao động riêng, biên độ dao động lớn nhất, giatốc dao động lớn nhất…

+ Sự thay đổi quĩ đạo lăn của các bánh xe không đáng kể để đảm bảo độ

êm dịu chuyển động thẳng và tính năng thông qua của ôtô

+ Trọng lợng phần không treo phải nhỏ

Trọng lợng phần không treo bao gồm trọng lợng bánh xe, các chi tiết của

bộ phận dẫn hớng, cầu xe và một phần trọng lợng của bộ phận đàn hồi và giảmchấn Giảm trọng lợng phần không treo sẽ làm giảm rất nhiều tải trọng động tácdụng lên bộ phận đàn hồi và thân xe Yêu cầu này đợc thực hiện rất tốt đối với

vòng của ô tô Để đảm bảo chức năng, nhiệm vụ này, phần tử hớng cần đảm bảocác yêu cầu cơ bản sau:

+ Giữ nguyên động học bánh xe khi ô tô chuyển động Điều này có nghĩa

là khi bánh xe chuyển động thẳng đứng, các góc đặt bánh xe, các chiều rộng,chiều dài cơ sở phải giữ nguyên Dịch chuyển bánh xe theo chiều ngang (thay

đổi chiều rộng cơ sở) sẽ làm lốp mòn nhanh và tăng sức cản chuyển động của ôtô trên nền đất mềm Dịch chuyển bánh xe theo chiều dọc tuy có giá trị thứ yếunhng gây nên sự thay đổi động học của chuyển động lái Thay đổi góc doãngcủa bánh xe dẫn hớng là điều nên tránh, vì nó kèm theo hiện tợng mô men hiệuứng con quay, làm cho bánh xe lắc xung quanh trục đứng Khi bánh xe lăn vớigóc nghiêng lớn, sẽ làm lốp mòn, sinh ra phản lực ngang lớn làm xe khó bám đ-ờng

+ Với các bánh xe dẫn hớng nên tránh sự thay đổi góc nghiêngvì khi 

thay đổi làm trụ đứng nghiêng về sau, nên độ ổn định của xe kém đi Khi bánh xedịch chuyển thẳng đứng cũng làm thay đổi độ chụm bánh xe (thay đổi góc ), làmthay đổi quĩ đạo chuyển động của ô tô làm cho ô tô không bám đúng đờng

+ Đảm bảo truyền lực ngang, lực dọc, mô men từ bánh xe lên khung xe màkhông gây biến dạng rõ rệt, không làm dịch chuyển các chi tiết của bánh xe

+ Giữ đợc đúng động học của dẫn động lái, nghĩa là sự dịch chuyển thẳng

đứng và sự quay quanh trụ đứng của bánh xe không phụ thuộc vào nhau

+ Độ nghiêng của thùng xe trong mặt phẳng ngang phải bé Phần tử dẫnhớng có ảnh hởng đến khoảng cách giữa các phần tử đàn hồi (khoảng cáchnhíp), tuỳ theo phần tử dẫn hớng mà ta có khoảng cách này lớn hay bé, phần tửdẫn hớng còn ảnh hởng đến vị trí tâm của độ nghiêng bên

+ Phần tử dẫn hớng phải đảm bảo bố trí hệ thống treo trên ô tô đợcthuận tiện

+ Kết cấu phần tử dẫn hớng phải đơn giản dễ sử dụng, chăm sóc, bảo dỡng.+ Trọng lợng phải nhỏ, đặc biệt là phần không đợc treo

Phần tử hớng có thể là nhíp lá, thanh giằng, thanh đòn.mỗi loại có u nhợc

điểm và thích hợp với một loại xe nhất định

Phần tử hớng là nhíp lá

Hình 1.4: Kết cấu nhíp chính và phụ của hệ thống treo có độ cứng thay đổi.

1 Nhíp chính và nhíp phụ; 2 ống bạc chốt nhíp; 3,4,5 Quang nhíp; 6 Bạc tỳ

đai nhíp và bu lông; 7 Đệm tỳ bắt nhíp; 8 Chốt nhíp; 9 Đệm; 10 Bu lông quang nhíp; 11 Bu lông; 12 Đai ốc.

u điểm là kết cấu đơn giản, vì nhíp vừa đóng vai trò là phần tử hớng vừa

đóng vai trò là phần tử đàn hồi do đó đơn giản trong bảo dỡng, sửa chữa

đủ tải, có lúc ô tô non tải, do vậy cần thiết phải có phần tử đàn hồi thay đổi độcứng theo tải trọng) Chuyển dịch của phần đợc treo không quá lớn, kết cấunhỏ gọn, đảm bảo trọng tâm xe thấp Làm việc tin cậy, an toàn, tuổi thọ cao,chăm sóc bảo dỡng đơn giản, thuận tiện, quá trình làm việc êm dịu không có

sự va đập cứng

Phần tử đàn hồi có thể là nhíp lá, lò xo, thanh xoắn mỗi loại có u nhợc

điểm và thích hợp với một loại xe nhất định

Phần tử đàn hồi là nhíp lá

Hình 1.5: Kết cấu nhíp chính và phụ của hệ thống treo có độ cứng thay đổi.

1 Nhíp chính và nhíp phụ; 2 ống bạc chốt nhíp; 3,4,5 Quang nhíp; 6 Bạc tỳ

đai nhíp và bu lông; 7 Đệm tỳ bắt nhíp; 8 Chốt nhíp; 9 Đệm; 10 Bu lông quang nhíp; 11 Bu lông; 12 Đai ốc.

u điểm là kết cấu đơn giản, đơn giản trong bảo dỡng và lốp xe ít bị mònkhi quay vòng vì chỉ có khung xe nghiêng còn cầu xe không bị nghiêng nhợc

điểm là có khối lợng phần không treo lớn, do vậy giảm độ êm dịu chuyển động;khó có đợc hệ treo mềm vì để có hệ treo mềm cần phải nâng cao khung (vỏ) sovới cầu xe; xác suất xuất hiện dao động của bánh xe dẫn hớng lớn, do vậy ảnh h-ởng xấu tới ổn định chuyển động thẳng; tuổi thọ của các lá nhíp nhỏ Để tăngtuổi thọ lá nhíp ngời ta áp dụng phơng pháp gia công phun hạt vào mặt trên cáclá nhíp, sử dụng nhíp có tiết diện ngang hợp lý, cố định các đầu nhíp bằng cácphần tử cao su, bôi mỡ chì giữa các lá nhíp hoặc các tấm đệm giữa các lá nhíp(đệm bằng chất dẻo, bằng đồng hoặc hợp kim chống mòn)

Hệ thống treo độc lập với phần tử đàn hồi là lò xo thờng đợc áp dụng rộngrãi trên các ô tô du lịch tùy theo kết cấu của bộ phận dẫn hớng mà hệ thống treo

độc lập với phần tử đàn hồi lò xo đợc phân làm bốn loại sau:

- Hệ thống treo độc lập với bộ phận dẫn hớng một đòn treo Loại này cókết cấu đơn giản nhng có nhợc điểm là khi hành trình dịch chuyển của bánh xelớn thì mặt phẳng bánh xe bị nghiêng một góc lớn gây hiệu ứng con quay làmdao động bánh xe, đồng thời bánh xe bị trợt ngang lớn dẫn đến lốp bị mònnhanh cho nên sơ đồ này chỉ bố trí ở cầu không dẫn hớng để không làm ảnh h-ởng tới ổn định lái trong hệ thống lái

- Hệ thống treo độc lập với cơ cấu hai đòn treo dài bằng nhau Loại này có

u điểm là khi bánh xe dịch chuyển theo phơng thẳng đứng, mặt phẳng bánh xekhông bị nghiêng, do đó bánh xe chuyển động ổn định Nhợc điểm ở sơ đồ này

là độ trợt ngang lớn, lốp mòn nhanh

- Hệ thống treo độc lập với cơ cấu hai đòn treo dài không bằng nhau (tơng

tự nh ở bánh xe BTR-60PB) Đặc điểm loại này là khi bánh xe dịch chuyển theophơng thẳng đứng khá lớn nhng mặt phẳng bánh xe bị nghiêng với góc nhỏ (th-ờng 560), khi đó hiệu ứng con quay có thể loại trừ nhờ ma sát trong treo ở

đây độ trợt ngang không lớn lắm cho nên có thể kết hợp với việc sử dụng lốp có

độ đàn hồi tốt để bù cho độ trợt ngang Do vậy hệ thống treo dùng sơ đồ này đợcdùng rộng rãi trên ô tô con hiện nay

- Hệ thống treo độc lập với bộ phận dẫn hớng kiểu nến Đặc điểm treo loạinày là bánh xe dịch chuyển độc lập theo trục nghiêng hoặc đặt thẳng, do vậymặt phẳng của bánh xe không bị thay đổi Độ trợt ngang của bánh xe phụ thuộcvào độ nghiêng của trục Thờng độ nghiêng của trục nhỏ nên độ trợt ngangcũng nhỏ do đó ít mòn lốp Nhợc điểm của loại này là độ cứng vững củakết cấu theo chiều ngang nhỏ, khó bố trí bộ phận dẫn h ớng và ma sát trong

bộ phận dẫn hớng lớn Do vậy sơ đồ này chỉ dùng ở xe du lịch có công suấtnhỏ

- Trên (hình 1.6) thể hiện sơ đồ cấu tạo hệ thống treo độc lập với bộ phậndẫn hớng hai đòn treo không bằng nhau sử dụng ở ô tô của hãng Open Đặc điểmcấu tạo của loại này là hai đòn dẫn hớng đặt trong mặt phẳng ngang xe Bánh xelắp vào đầu trục của cam quay và nối khớp bản lề với hai đòn treo trên và dới.Giảm chấn 4 có chiều dài lắp ráp lớn hơn lò xo 2 cho nên đầu trên đợc bắt trênphần lồi chụp phía trên, còn đầu dới giảm chấn đợc bắt cùng với đế lò xo Vấucao su 1 dùng để hạn chế hành trình dịch chuyển bánh xe ở hành trình trả còn vấucao su 5 tơng ứng ở hành trình trên

Hình 1.6: Cấu tạo hệ thống treo trớc dùng hai đòn treo không bằng nhau.

1 Vấu hạn chế hành trình; 2 Lò xo; 3 Giá đỡ;

4 Giảm chấn; 5 Vấu hạn chế hành trình.

c) Phần tử giảm chấn

- Giảm chấn dùng để dập tắt các dao động của thân xe và cầu xe bằngcách chuyển cơ năng của các dao động thành nhiệt năng, đảm bảo độ êm dịucần thiết cho xe khi chuyển động Trên ô tô hiện nay chủ yếu sử dụng giảmchấn thuỷ lực

Để đảm bảo thực hiện đợc chức năng này giảm chấn cần phải:

+ Dập tắt nhanh các dao động có tần số hoặc biên độ lớn

+ Dập tắt chậm các dao động nếu ô tô chạy trên đờng ít mấp mô

+ Hạn chế các lực truyền qua giảm chấn lên thân xe

+ Làm việc ổn định khi ô tô chuyển động trong các điều kiện đờng sá khác nhau và nhiệt độ không khí khác nhau

+ Có tuổi thọ cao

+ Trọng lợng, kích thớc bé; giá thành hạ

Có thể phân loại giảm chấn theo các đặc điểm sau:

+ Theo tỷ số của hệ số cản nén và hệ số cản trả K , n K t

- Loại tác dụng 2 chiều đối xứng K  n K t

- Loại tác dụng 2 chiều không đối xứng K  n K t

- Loại tác dụng 1 chiều K n 0. + Theo dạng giảm chấn ta có:

- Giảm chấn đòn

- Giảm chấn ống

+ Có hay không có van giảm tải

Ngày nay trên các xe đợc dùng phổ biến là loại giảm chấn tác động haichiều không đối xứng có van giảm tải và loại giảm chấn ống đợc dùng rộng rãi

hơn vì giảm chấn ống thuỷ lực nhẹ hơn hai lần so với giảm chấn đòn, chế tạo

đơn giản hơn và có độ bền cao hơn giảm chấn đòn

Hình 1.12: Cấu tạo giảm chấn ống thuỷ lực.

a) Cấu tạo chung b) Làm việc ở trạng thái nén c) Làm việc ở trạng thái trả 1,22 Tai; 2; Đáy; 3 Van nạp; 4 Xy lanh công tác; 5 Xy lanh ngoài; 6 Van nén; 7 Pít tông; 8 Van trả; 9 Vòng găng pít tông; 10 Van thông qua; 11, Vỏ; 12 Cần pít tông; 13 Bạc dẫn hớng; 14 Vòng cao su; 15,17 Vòng làm kín; 16 Lò xo vòng làm kín; 18 Đệm thép; 19 Vòng bít; 20 Đệm nhôm; 21 Các phớt làm kín cần pít tông.

1.3 Chọn ph ơng án thiết kế.

Qua phân tích kết cấu của các hệ thống treo ở trên, từ nhiệm vụ đề tài đợc

giao là: “Thiết kế hệ thống treo trớc cho xe ô tô vận tải hạng trung”tham khảo

tài liệu xe zil-131 Tôi chọn chọn phơng án thiết kế nh sau:

+ Hệ thống treo của xe thiết kế là loại hệ thống treo phụ thuộc

+ Phần tử đàn hồi là nhíp lá, và đóng vai trò của phần tử hớng

+ Giảm chấn là giảm chấn ống thủy lực tác dụng 2 chiều lắp trên cả cầutrớc và cầu sau

Chơng 2

tính toán thiết kế hệ thống treo trớc

-Treo cầu sau

Chiều dài cơ sở của xe

NNmm

mmmmN/mmN/mm

6x663373158564741740000861801962066560

490588293975

330355865290

- M: khối lợng phần treo của ô tô (kg)

- : tần số dao động riêng của khối lợng phần treo (rad/s)

Để đảm bảo độ êm dịu của ô tô quân sự, khi tính toán độ cứng của phần treo tần số dao động riêng của khối lợng phần treo thờng chọn trong khoảng:

chọn :    10 15(rad s/ )

11 , 15 124322 , 5 ( / )

2

2000

c x ác định hành trình động của bánh xe.

fđ = ft.(11,5) (theo [3])Chọn fđ=fđ1=fđ2 =1,2.ft = 0,0947 (m)= 94,7 (mm)

d Kiểm tra hành trình động của bánh xe theo điều kiện bảo đảm khoảng sáng gầm xe nhỏ nhất

: khoảng sáng gầm xe ở trạng thái tĩnh của ô tô (m)

min: khoảng sáng gầm xe sau khi bánh xe dịch chuyển hết hành trình

động (m)

).

( 15 , 0 1 , 0

) ( 2353 , 0 ) ( 3 , 235 7 , 94 330



Thỏa mãn điều kiện khoảng sáng gầm xe nhỏ nhất

e Kiểm tra hành trình động của bánh xe theo điều kiện không xảy ra va

đập giữa phần treo tr ớc và phần không treo tr ớc khi phanh cấp tốc

fđ  ft max

b hg

Trong đó: - max: hệ số bám lớn nhất của bánh xe với mặt đờng; max = 0,8

- hg: chiều cao trọng tâm của ô tô (m); hg = 1,2 (m)

fđ1 = 94,7 > 77,61 => Thỏa mãn điều kiện

f x ác định hệ số dập tắt dao động của khối l ợng phần treo.

0

h   

Trong đó: + h0: hệ số dập tắt dao động của khối lợng phần treo (rad/s)

+ : hệ số cản tơng đối  = 0,2  0,3 (theo [3]), Chọn  = 0,25 + : tần số dao động riêng của khối lợng phần treo (rad/s)

2.2 Tính toán thiết kế các bộ phận của hệ thống treo

trong đó: l- chiều dài của bộ nhíp.

L- chiều dài cơ sở của ô tô L=3,975(m)

Theo phơng án thiết kế chọn loại nhíp bán êlíp đối xứng

Chiều dài quy dẫn của nhíp đợc xác định theo công thức sau:

6 , 0 2 , 1 2

1 2

1 '





trong đó : l'  chiều dài quy dẫn của nhíp (m)

l - chiều dài của nhíp (m)

b) Xác định chiều dày lá nhíp   2

'

2

l h

E f

 



trong đó:  - hệ số biến dạng kể đến sự sai khác của hình dạng bộ nhíp

so với dầm chống uốn đều(  1 , 25  1 , 45) chọn   1 , 35

  - ứng suất uốn cho phép của bộ nhíp Các lá nhíp thờng đợcchế tạo từ các loại thép 50C2 và 60C2

t

f

f  

trong đó : f t' ,f d'- độ võng tĩnh và độ võng động của nhíp

Độ võng của nhíp đợc xác định từ sơ đồ treo và từ mối quan hệ từ hànhtrình dịch chuyển của bánh xe và độ võng của nhíp

Trong trờng hợp đơn giản nhất f t' f t; f d' f d; f' f

174 95

Chiều dầy lá nhíp : 0 , 793

4 , 17 10 3

60 8500 35 , 1 3

6

h z l

l p

b





trong đó: z- số lợng lá nhíp trong bộ Đối với ô tô vận tải z  9  16

pmax- tải trọng lớn nhất tác dụng lên lá nhíp Khi coi đờng đặc tính của nhíp là tuyến tính

' 1

' 1

' 1 1 max

t

d t t

f

f f p



17 , 6 793 , 0 12 2 , 1

60

8500

10 2 , 2 6

2

2 3

Chiều dàyh(cm) Mô men quán tính J= 12

1 k k

3 1

a

128500

) (

a

981 6

85

3 1 k

(N/m)

Sai số: 0 , 032

124300

124300 128500

c c

1.2.2 Tính toán thiết kế giảm chấn.

Bộ phận giảm chấn của hệ thống treo ô tô thờng là các giảm chấn thuỷ lực(có thể là giảm chấn ống hoặc giảm chấn đòn)

Tính toán thiết kế giảm chấn là xác định các kích thớc cơ bản của giảmchấn, xác định các tiết diện của lỗ tiết lu dầu và xác định các thông số của vanthông và van giảm tải

Sau khi đã xác định đợc các thông số của giảm chấn tiến hành xây dựng

đờng đặc tính của giảm chấn và kiểm tra sự làm việc của giảm chấn theo chế độnhiệt

Thông số ban đầu để thiết kế giảm chấn là hệ số dạp tắt dao động h0 củakhối lợng phần treo

a Xác định các kích th ớc cơ bản của giảm chấn.

Thiết kế giảm chấn đợc bắt đầu t việc chọn các kích thớc cơ bản của nó.Kích thớc cơ bản của giảm chấn là đờng kính xi lanh công tác dx và hành trìnhdịch chuyển của pít tông Hp Hành trình dịch chuyển của pít tông thờng đợc xác

định theo điều kiện bố trí chung khi thiết kế hệ thống treo, thông thờng hànhtrình dịch chuyển của pít tông nhỏ hơn (  7 8 )d x

Trong hệ thống treo phụ thuộc việc chọn Hp phụ thuộc chủ yếu vào tổngbiến dạng của bộ phận đàn hồi Giảm chấn trong hệ thống treo này thờng đợc bốtrí nghiêng một góc so với đờng thẳng còn hành trình pít tông của nó thờng xấp

xỉ gấp hai lần hành trình pít tông của giảm chấn trong hệ thống treo độc lập

- Chọn đờng kính xi lanh công tác dx=40(mm)

- Hành trình dịch chuyển của pít tông Hp=200(mm)

Theo sơ đồ chiều dài của giảm chấn trong hành trình nén là:

Ln=Lk+Hp