kết cấu tính toán hệ thống treo ô tô

Hình 9.1 - Hệ thống treo với bộ phận đàn hồi là các lò xo trụ - Bộ phận giảm chấn: cùng với ma sát ở hệ thống treo gồm ma sát giữa các lá nhíp và các khớp nối sinh ra lực cản để dập tắt

CHƯƠNG 9 HỆ THỐNG TREO

1 CÔNG DỤNG, PHÂN LOẠI, YÊU CẦU

1.1 Công dụng

Hệ thống treo dùng để nối đàn hồi khung hoặc vỏ của ôtô với hệ thống chuyển động Nhiệm vụ chủ yếu của hệ thống treo là giảm các va đập làm ôtô chuyển động êm dịu khi đi qua các mặt đường gồ ghề không bằng phẳng

1.2 Phân loại

Tuỳ theo các yếu tố căn cứ để phân loại, hệ thống treo được phân chia như sau:

* Theo mối liên hệ giữa bánh xe bên trái và bên phải:

- Hệ thống treo phụ thuộc;

- Hệ thống treo độc lập

* Theo phần tử đàn hồi:

- Hệ thống treo loại nhíp;

- Hệ thống treo loại lò xo;

- Hệ thống treo loại thanh xoắn;

- Hệ thống treo loại khí;

- Hệ thống treo loại thuỷ khí kết hợp

1.3 Yêu cầu

- Có tần số dao động riêng thích hợp với từng loại ôtô để đảm bảo độ êm dịu cần thiết;

- Có độ võng động đủ để không sinh ra va đập lên các ụ đỡ;

- Có hệ số cản thích hợp để dập tắt dao động giữa vỏ xe và cầu xe;

- Khi quay vòng hoặc khi phanh thì vỏ ôtô không bị nghiêng quá giới hạn cho phép;

- Đảm bảo sự tương ứng giữa động học của các bánh xe với động học của dẫn động lái

2 CẤU TẠO CHUNG

Cấu tạo và bố trí chung của hệ thống treo được thể hiện trên hình 9.1

Mặc dù có nhiều chi tiết, nhưng cấu tạo chung của hệ thống treo được quy thành ba bộ phận chính sau:

- Bộ phận hướng: Dùng để xác định động học và tính chất dịch chuyển tương đối của các bánh xe với khung hay vỏ ôtô Bộ phận hướng dùng để truyền các lực dọc, lực ngang cũng như các mômen từ bánh xe lên khung hay vỏ ôtô Đối với sơ đồ bố trí chung ở hình 9.1 thì bộ phận hướng bao gồm đòn treo, thanh giằng

- Bộ phận đàn hồi: Dùng để truyền các lực thẳng đứng và giảm tải trọng động khi ôtô chuyển động trên đường không bằng phẳng nhằm đảm bảo độ êm dịu cần thiết Ơû hình 9.1 bộ phận đàn hồi là các lò xo trụ

Hình 9.1 - Hệ thống treo với bộ phận đàn hồi là các lò xo trụ

- Bộ phận giảm chấn: cùng với ma sát ở hệ thống treo (gồm ma sát giữa các lá nhíp và các khớp nối) sinh ra lực cản để dập tắt dao động của ôtô Ở hình 9.1 bộ phận giảm chấn là các giảm chấn ống thuỷ lực đặt trong lò xo trụ

3 KHÁI QUÁT CHUNG VỀ DAO ĐỘNG VÀ TÍNH ÊM DỊU CHUYỂN ĐỘNG

3.1 Khối lượng được treo và khối lượng không được treo

Qua hình 9.2 chúng ta thấy thân ôtô và các cầu mang bánh xe được liên kết với nhau bởi các lò xo Khối lượng của thân ôtô, được đỡ bởi các lò xo gọi là khối lượng được treo Khối lượng của cầu mang bánh xe và một số chi tiết khác không được đỡ bởi các lò

xo gọi là khối lượng không được treo

Thông thường người ta mong muốn khối lượng được treo lớn còn khối lượng không được treo phải nhỏ Bởi vì khi khối lượng được treo lớn và khối lượng không được treo nhỏ thì va đập giảm và độ êm dịu tăng khi ôtô chuyển động qua mặt đường gồ ghề Ngược lại

nếu khối lượng được treo nhỏ còn khối lượng không được treo lớn thì độ êm dịu của thân ôtô kém (hình 9.3)

Khối lượng đượ t

Khối lượng không đượctreo

Hình 9.2 - Khái quát về hệ thống treo

Hình 9.3 – Aûnh hưởng khối lượng treo

3.2 Sự dao động của khối lượng được treo

Khi chuyển động, thân ôtô có thể có các dao động theo các trục toạ độ như mô tả trên hình 9.4

Hình 9.4 - Dao động của ôtô

Các dao động đó là:

- Dao động lên xuống (sự nhún) theo trục thẳng đứng: Là sự chuyển động lên xuống của toàn bộ thân xe, xuất hiện khi ôtô chuyển động trên mặt đường không bằng phẳng

- Dao động xoay quanh trục thẳng đứng (sự xoay đứng): Là sự di chuyển xoay của

thân xe sang bên trái hoặc bên phải quanh trục thẳng đứng khi ôtô chuyển động

- Dao động xoay quanh trục dọc (sự lắc ngang): Là chuyển động lắc của ôtô quanh

trục dọc khi ôtô đi qua mặt đường mà một bên bánh xe bị rơi xuống ổ gà hoặc qua những

mấp mô

- Dao động xoay quanh trục ngang (sự lắc dọc): Là dao động lên xuống của phần

trước hay sau ôtô quanh trục ngang đi qua trọng tâm của nó Dao động này xảy ra khi cả

hai bánh xe của ôtô cùng đi qua vết lõm hay chỗ lồi trên đường

4 BỘ PHẬN ĐÀN HỒI

4.1 Đặc điểm chung

4.1.1 Tính đàn hồi

Khi tác dụng một lực lên một vật làm bằng những vật liệu như cao su, nó sẽ tạo ra

biến dạng của vật đó (tạo ra ứng suất trong vật đó) Khi thôi tác dụng lực, ứng suất sẽ mất

và vật sẽ trở lại hình dạng ban đầu Người ta gọi tính chất đó là tính chất đàn hồi của vật

Các phần tử đàn hồi trong hệ thống treo của ôtô cũng sử dụng nguyên lý đàn hồi để giảm

va đập từ mặt đường tác dụng lên, bảo đảm sự êm dịu cho hành khách và hàng hoá trên

thân ôtô Các phần tử đàn hồi này sẽ bị biến dạng uốn (đối với nhíp) hoặc biến dạng xoắn

(đối với lò xo trụ và thanh xoắn) khi chịu tải Năng lượng đàn hồi sẽ được giải phóng khi

thôi tác dụng lực và các phần tử đàn hồi trở lại trạng thái bình thường

4.1.2 Độ cứng của phần tử đàn hồi

Độ cứng của phần tử đàn hồi có tính chất và công thức xác định giống nhau Vì vậy

để đơn giản ở đây chúng ta sẽ dùng phần tử đàn hồi là lò xo trụ làm ví dụ

Hình 9.5 - Độ cứng của lò xo trụ

Sự biến dạng của lò xo tỉ lệ với lực (tải) tác dụng lên nó (hình 9.5) Do đó tỉ số giữa

lực (w) với biến dạng của lò xo (a) là không đổi và được gọi là độ cứng (k) của lò xo:

a

w a

w a

2

2

1

1

Trong đó:

w - ngoại lực (N)

a - biến dạng của lò xo (mm)

k - độ cứng của lò xo (N/mm)

4.1.3 Sự dao động của phần tử đàn hồi

Ta lấy ví dụ sự dao động của phần tử đàn hồi là lò xo trụ được mô tả trên hình 9.6

Hình 9.6 - Sự dao động của phần tử đàn hồi

Khi bánh xe đi qua mấp mô, lò xo của hệ thống treo bị nén lại rất nhanh Do lò xo có xu hướng ngay lập tức trở về chiều dài có tải ban đầu của nó nên nó sẽ giãn ra, nâng thân ôtô lên phía trên Tuy nhiên, do lò xo tích luỹ năng lượng trong quá trình nén nên nó phải giãn ra vượt quá chiều dài bình thường của nó để giải phóng năng lượng Chuyển động lên phía trên của thân ôtô cũng giúp lò xo vượt quá chiều dài ban đầu của nó Khi thân ôtô dịch chuyển xuống nó ấn lò xo nén lại quá chiều cao chịu tải bình thường, vì vậy lò xo tác dụng trở lại bằng cách đẩy thân ôtô lên phía trên

Quá trình này lặp đi lặp lại và được gọi là sự dao động của lò xo Biên độ của mỗi lần dao động đều nhỏ hơn lần trước, cuối cùng dập tắt hẳn dao động lên xuống của ôtô (hình 9.6)

4.2 Các dạng phần tử đàn hồi

Trong hệ thống treo của ôtô, người ta có thể sử dụng các phần tử đàn hồi sau:

- Lò xo lá dạng nhíp;

Độ cong của mỗi lá nhíp được gọi là độ võng Do lá nhíp ngắn có độ võng lớn hơn, nên độ cong của nó lớn hơn các lá nhíp dài Khi bulông định tâm được xiết chặt các lá nhíp

bị giảm độ võng một chút (hình 9.7.a) làm cho hai đầu lá phía dưới ép chặt vào lá phía trên

Đặc tính của phần tử đàn hồi là nhíp được thể hiện trên hình 9.7.c Khi tải trọng tác dụng lên nhíp tăng thì biến dạng của nhíp cũng tăng theo quy luật tuyến tính

Nhưng khi diễn biến ngược lại thì đường đặc tính không trùng với đường cũ Sở dĩ có sự khác nhau như vậy là trong bó nhíp tồn tại nội ma sát giữa các lá nhíp với nhau Khi

nội ma sát tăng thì tính êm dịu chuyển động của ôtô giảm Vì vậy trong thực tế để giảm ma sát giữa các lá nhíp người ta thường sử dụng một số biện pháp sau:

- Bôi mỡ chì lên các lá nhíp trước khi lắp ghép với nhau;

- Đặt các tấm đệm vào đầu mỗi lá nhíp để giảm ma sát trượt khi chúng chuyển động tương đối với nhau;

- Ở mỗi đầu của một lá nhíp được vuốt thon để chúng tạo ra một áp suất thích hợp khi tiếp xúc với nhau

4.2.1.2 Nhíp phụ

Nhíp phụ thường được sử dụng ở xe tải và một số xe khác khi có sự thay đổi lớn về tải trọng, với mục đích vừa bảo đảm cả tính êm dịu và độ bền của nhíp Khi không tải hoặc tải nhỏ thì chỉ có nhíp chính làm việc, như vậy độ êm dịu sẽ tăng Khi đủ tải lúc đó nhíp phụ mới làm việc cùng nhíp chính Khi này do tải trọng lơn hơn nên cả nhíp chính và nhíp phụ cùng làm việc để giảm ứng suất trên mỗi lá nhíp bảo đảm độ bền của nhíp

Cấu tạo của nhíp chính kết hợp với nhíp phụ và đặc tính của nó được mô tả trên hình 9.8

4.2.2 Lò xo

4.2.2.1 Lò xo thường

Lò xo được làm từ dây thép lò xo, là một loại thép đặc biệt, được quấn thành hình ống (hình 9.9) Khi đặt tải lên lò xo, dây lò xo sẽ bị xoắn do ống lò xo bị nén Lúc này năng lượng ngoại lực được dự trữ trong lò xo và va đập được giảm bớt

Hình 9.9 - Lò xo thường 4.2.2.2 Lò xo cải tiến

Khi lò xo được làm từ dây thép có đường kính không đổi thì biến dạng của lò xo sẽ thay đổi tỉ lệ thuận với lực tác dụng Điều đó có nghĩa là nếu dùng lò xo mềm, nó sẽ không đủ cứng để chịu tải lớn và ngược lại nếu dùng lò xo cứng để chịu tải lớn thì nó lại giảm tính êm dịu chuyển động khi tải nhỏ

Lß xo cã ®−êng kÝnh d©y kh¸c nhau Lß xo cã b−íc

kh¸c nhau

Lß xo c«n

Hình 9.10 - Lò xo cải tiến

Để khắc phục nhược điểm này người ta có thể sản xuất các loại lò xo cải tiến (hình 9.10)

Ví dụ đối với loại lò xo có đường kính dây ở hai đầu nhỏ thì độ cứng ở hai phần đầu lò xo sẽ thấp hơn ở phần giữa Do đó khi tải nhẹ thì hai đầu lò xo sẽ bị nén lại và hấp thụ năng lượng va đập Mặt khác phần giữa lò xo có độ cứng lớn hơn sẽ đủ cứng để chịu tải lớn

Các lò xo bước không đều hoặc lò xo côn cũng có hiệu quả tương tự

Đặc tính của lò xo thường và lò xo cải tiến được mô tả trên hình 9.11

Biến dạng

Hình 9.11 - Đặc tính của lò xo thường và lò xo cải tiến 4.2.2.3 Đặc điểm

- Mức độ hấp thụ năng lượng trên một đơn vị khối lượng là lớn hơn so với nhíp;

- Do không có nội ma sát như trong nhíp nên lò xo thường phải bố trí giảm chấn kèm theo để dập tắt nhanh dao động;

- Do không có khả năng chịu lực ngang nên cần phải có các thanh liên kết (đòn treo, thanh ngang, thanh giằng, ) để đỡ cầu xe

4.2.3 Thanh xoắn

4.2.3.1 Cấu tạo và nguyên lý

Thanh xoắn là một thanh bằng thép lò xo, dùng tính đàn hồi xoắn của nó để cản lại sự xoắn Một đầu thanh xoắn được ngàm chặt vào khung hay một dầm nào đó của thân ôtô, đầu kia được gắn vào một kết cấu chịu tải xoắn của hệ thống treo (hình 9.12)

4.2.3.2 Đặc điểm

- Do mức độ hấp thụ năng lượng trên một đơn vị khối lượng lớn hơn so với nhíp và lò xo nên hệ thống treo loại thanh xoắn có kết cấu nhỏ gọn;

- Cách bố trí hệ thống treo đơn giản, thuận tiện;

- Thanh xoắn cũng không có nội ma sát nên cũng thường phải lắp kèm giảm chấn để dập tắt nhanh dao động

Hình 9.12 - Thanh xoắn 4.2.4 Vấu cao su

Vấu cao su hấp thụ năng lượng dao động nhờ sinh ra nội ma sát khi nó bị biến dạng dưới tác dụng của ngoại lực

Hình 9.13 - Vấu cao su

Vấu cao su có những ưu điểm sau:

- Nó có thể được làm với mọi hình dạng khác nhau;

- Không có tiếng ồn khi làm việc;

- Không cần phải bôi trơn

Tuy nhiên vấu cao su không thích hợp khi tải trọng lớn Vì vậy vấu cao su chủ yếu được sử dụng như một bộ phận đàn hồi phụ hay một bạc đệm, vấu giảm chấn, vấu chặn hay một số cơ cấu khác trong hệ thống treo (hình 9.13)

4.2.5 Đệm khí

Phần tử đàn hồi sử dụng đệm khí dựa trên nguyên tắc không khí có tính đàn hồi khi

bị nén Trong hệ thống treo sử dụng phần tử đàn hồi là đệm khí thường được kết hợp với giảm chấn thuỷ lực trong một kết cấu (hình 9.14)

Trong hệ thống treo sử dụng phần tử đàn hồi là đệm khí thì áp suất khí nén được tự động điều chỉnh cho phù hợp với mức tải nên phần tử đàn hồi có đặc tính rất tốt Đệm khí có những ưu điểm sau:

- Nó khá mềm khi ôtô không có tải nhưng độ cứng có thể tăng khi tăng tải bằng cách tăng áp suất không khí bên trong khoang khí Nó tạo ra độ êm dịu chuyển động tối ưu nhất với bất kỳ mức tải nào;

- Độ cao gầm xe cũng được giữ không đổi ngay cả khi tải thay đổi bằng cách điều chỉnh áp suất không khí

Tuy nhiên hệ thống treo dùng đệm khí cần một số những thiết bị như máy nén khí,

cơ cấu điều khiển áp suất, nên hệ thống trở nên phức tạp do đó phạm vi sử dụng còn hẹp

Hình 9.14 - Hệ thống treo có phần tử đàn hồi là đệm khí

5 BỘ PHẬN DẪN HƯỚNG

Bộ phận dẫn hướng có nhiệm vụ truyền các lực dọc, lực ngang và các mômen từ bánh xe lên khung hoặc thân ôtô Nó có thể có những chi tiết khác nhau tuỳ thuộc hệ thống treo phụ thuộc hay độc lập, phần tử đàn hồi là nhíp, lò xo hay thanh xoắn Nó gắn liền với

các dạng hệ thống treo nên ở đây chúng ta sẽ xem xét bộ phận dẫn hướng gắn liền với các dạng hệ thống treo cụ thể mà không nghiên cứu bộ phận dẫn hướng một cách riêng rẽ 5.1 Hệ thống treo phụ thuộc, phần tử đàn hồi là nhíp

Hệ thống treo phụ thuộc phần tử đàn hồi là nhíp có thể được bố trí ở trục bị động (trục dẫn hướng) như trên hình 9.15.a hoặc bố trí ở cầu chủ động như trên hình 9.15.b

Hình 9.15 Hệ thống treo phụ thuộc phần từ đàn hồi là nhíp

Vỏ cầu

Móc treo nhíp

Trong cả hai trường hợp trên, nhíp vừa là phần tử đàn hồi đồng thời làm luôn bộ phận dẫn hướng Với chức năng là bộ phận dẫn hướng, nhíp có thể truyền được lực dọc (lực kéo hoặc lực phanh) và lực ngang từ bánh xe qua cầu xe lên khung Ngoài ra nhíp cũng có khả năng truyền các mômen từ bánh xe lên khung, đó là mômen kéo hoặc mômen phanh

Hình 9.15 - Hệ thống treo phụ thuộc phần từ đàn hồi là nhíp

Vì nhíp làm luôn bộ phận hướng nên ở các sơ đồ này chúng ta không thấy các đòn treo và thanh giằng

Trong quá trình biến dạng, chiều dài của nhíp thay đổi nên hai tai nhíp bắt lên khung hoặc dầm có một đầu cố định còn một đầu di động Đối với nhíp sau thường đầu cố định ở phía trước còn đầu di động ở phía sau để phù hợp với khả năng chịu lực đẩy (lực kéo tiếp tuyến) và lực kéo (lực phanh) tác dụng từ bánh xe qua cầu xe lên nửa nhíp phía trước có đầu cố định Đối với nhíp trước đầu cố định ở phía trước hay phía sau còn phụ thuộc vào vị trí đặt cơ cấu lái để phối hợp đúng động học giữa hệ thống treo và hệ thống lái

5.2 Hệ thống treo phụ thuộc, phần tử đàn hồi là lò xo trụ

Hệ thống treo phụ thuộc, phần tử đàn hồi là lò xo trụ cũng có thể được bố trí ở trục

bị động (hình 9.16.a) hoặc ở cầu chủ động (hình 9.16.b) Vì lò xo trụ chỉ có khả năng chịu lực theo phương thẳng đứng nên ngoài lò xo trụ phải bố trí các phần tử của bộ phận dẫn hướng

a

b

Thanh ổn Dầm

Giá đỡ phía trên

Lò xo trụ

Cần điều khiển

Đòn treo

Phía trước

Giảm chấn Đòn điều khiển

Cần điều khiển

Lò xo Vỏ

ụ chặn

Thanh ổn Đòn điều khiển

Hình 9.16 - Hệ thống treo phụ thuộc, phần tử đàn hồi làlò xo trụ

Đối với kết cấu ở hình 9.16.a hai đòn treo dọc cùng với thanh giằng ngang là các phần tử của bộ phận dẫn hướng Nó có nhiệm vụ truyền các lực dọc, lực ngang và các mômen từ bánh xe qua dầm cầu, qua các phần tử của bộ phận hướng lên khung ôtô

Đối với kết cấu ở hình 9.16.b là loại sử dụng bốn thanh giằng dọc và một thanh giằng ngang làm các phần tử của bộ phận dẫn hướng Các thanh giằng này đều có một đầu bắt với cầu xe bằng các khớp bản lề có cao su và một đầu còn lại bắt với khung cũng bằng các khớp bản lề có cao su

Ngoài các thanh giằng của bộ phận hướng nói trên còn bố trí thanh ổn định với mục đích giảm sự biến dạng chênh lệch lớn giữa các phần tử đàn hồi hai bên bánh xe bảo đảm ổn định cho thân ôtô

5.3 Hệ thống treo độc lập, phần tử đàn hồi lò xo, đòn treo dọc

Hệ thống treo đòn dọc có nghĩa là các thanh liên kết của phần tử dẫn hướng giữa bánh xe (hoặc cầu xe) với khung ôtô bằng các đòn dọc Các đòn dọc thường được bố trí song song sát hai bên bánh xe Số lượng đòn dọc có thể là hai hoặc bốn và có thể bố trí cả

ở hệ thống treo phụ thuộc (hình 9.16) hoặc hệ thống treo độc lập (hình 9.17)

phận hướng phải có thêm một đòn ngang (hình 9.16)

øn dọc là những thanh nhỏ chỉ có khả năng c ịu kéo hoah ëc nén thì

Hình 9.17 - Hệ thống treo độc lập phần tử đàn hồi là lò xo với đòn treo dọc

1 - Khung ôtô; 2 - Phần tử đàn hồi lò xo; 3 - Giảm chấn ống thuỷ lực;

4 - Bánh xe; 5 - Đòn treo dọc; 6 - Khớp bản lề