Tổng quan về khung ô tô

Xe ô tô là tổng thành phần rất nhiều bộ phận, cơ cấu,

Chơng 1 Tổng quan về khung ô tô

1.1 Giới thiệu chung về khung xe ô tô.

Xe ô tô là tổng thành rất nhiều bộ phận, cơ cấu, các cụm chi tiết, chi tiết có công dụng chung và một số cơ cấu chuyên dùng Các bộ phận, cơ cấu, các cụm chi tiết, chi tiết này có kết cấu và vật liệu khác nhau tuỳ vào công dụng, điều kiện làm việc của chúng Quá trình phát triển của ngành công nghiệp ô tô đã làm kết cấu của xe có nhiều thay đổi, đặc biệt có nhiều hệ thống và bộ phận đã có những bớc

đột phá nh: hệ thống điện, các hệ thống tiện nghi, bộ phận an toàn….Bên cạnh đó

có những hệ thống và bộ phận vẫn giữ kết cấu khá cổ điển, trong đó khung vỏ xe là một bộ phận điển hình Khung xe ô tô có kết cấu đa dạng, chịu tải trọng rất phức tạp, trên ô tô vận tải trọng lợng khung thờng chiếm 10% ữ 15% trọng lợng riêng của ô tô

Khung xe là phần tử xơng cốt của xe, là phần tử chịu lực chính của xe, là chi tiết đợc dùng để đỡ và lắp đặt hầu hết các cụm, cơ cấu và hệ thống trên xe nh động cơ, hệ thống truyền lực, phần vận hành, các hệ thống điều khiển, các cụm của các thiết bị phụ và thiết bị đặc biệt đồng thời nó là nơi chịu toàn bộ những tác động thay đổi từ mặt đờng lên xe khi xe chuyển động

Khung ô tô rất đa dạng về kiểu dáng, kết cấu và mục đích sử dụng Tuỳ theo tiêu chỉ về kết cấu hay công dụng mà khung xe đợc phân thành nhiều loại khác nhau:

 Theo loại hệ thống chịu lực trong ô tô chia ra:

− Khung chịu lực (Hình 1.1a) : khi vỏ đặt trên khung qua các mối nối đàn hồi, trờng hợp này khung cứng hơn vỏ nhiều nên chịu đợc tác động của

ngoại lực và có thể bị biến dạng nhng không truyền đến vỏ Đây là loại

đợc dùng phổ biến ở các xe vận tải

− Vỏ chịu lực(Hình 1.1b): loại vỏ này đồng thời là khung (không có khung) nên nhận toàn bộ ngoại lực tác động lên xe Đây là loại đợc dùng phổ biến cho các xe chở khách

− Hỗn hợp (Hình 1.1c): khung nối cứng với vỏ bằng các mối hàn hoặc bulông hay đinh tán nên cả khung và vỏ cùng chịu tác động của ngoại lực

Đa phần hiện nay là dạng khung chịu lực, khung ô tô rất đa dạng về kết cấu, kiểu dáng và mục đích sử dụng

 Theo kết cấu của khung chia ra:

Hình 1.1 Các dạng khung vỏ điển hình của ôtô

a Khung chịu lực b Vỏ chịu lực

c Khung vỏ chịu lực hỗn hợp

H×nh 1.2: Ph©n lo¹i khung xe

− Khung cã dÇm däc ë hai bªn

− Khung cã dÇm däc ë gi÷a

− Khung hçn hîp hay lo¹i khung h×nh ch÷ X

 Theo d¹ng dÇm däc vµ sù bè trÝ dÇm däc trong mÆt ph¼ng khung chia ra:

− Khung cã tiÕt diÖn h×nh vu«ng vµ dÇm däc bè trÝ song song

− Khung cã tiÕt diÖn h×nh thang vµ dÇm th¼ng

− Khung cã phÇn ®Çu thu hÑp

Hình 1.3: Kết cấu loại khung có dầm dọc

Khung xe là một bộ phận rất quan trọng của ô tô do đó khi thiết kế nó phải thỏa mãn các yêu cầu sau:

 Tiết diện ngang của dầm dọc phải chọn theo các phép tính uốn và xoắn khung Mômen thay đổi theo suốt chiều dài của dầm từ giá trị không đến giá trị cực đại nên để tiết kiệm nguyên vật liệu và đảm bảo độ cứng của dầm đều nhau, dầm dọc đợc chế tạo với tiết diện thay đổi Để thoả mãn yêu cầu này dầm dọc

đợc chế tạo theo phơng pháp dập

 Để hạ thấp trọng tâm ô tô và chiều cao sàn xe các dầm dọc trong ô tô du lịch trên cầu trớc và cầu sau thờng đợc uốn cong, nh vậy phần giữa của khung

sẽ nằm thấp hơn

 Khung phải đảm bảo đủ cứng để các cụm gắn trên khung hoặc hoàn toàn cố

định hoặc chỉ thay đổi vị trí rất ít Dầm ngang phải đảm bảo giữ không cho dầm dọc dịch chuyển dọc khi ô tô gặp chứa ngại vật va đập vào đầu trớc của dầm dọc

1.2 Đặc điểm kết cấu khung xe ô tô quân sự.

Khung xe ô tô (Hình 1.4) là phần tử chịu lực của xe, trên đó có lắp đặt:

động cơ, các cụm của hệ thống truyền lực, phần vận hành, cơ cấu điều khiển, thiết

bị phụ chuyên dùng, cabin, tải trọng

Hình 1.4 Kết cấu khung xe URAL-375

1 Giảm va phía trớc, 2 Móc kéo trớc, 3 Xà ngang thứ nhất, 4 Giá tay quay khởi động,

5 Dầm dọc phải, 6 Giá bắt giảm chấn, 7 Giá gối đỡ sau động cơ, 8 Giá kẹp, 9 Xà ngang thứ 2, 10 Giá treo cabin phía sau, 11 Xà ngang thứ 2, 12 Xà ngang thứ 3, 13 ốp trên xà ngang 5, 14 Xà ngang thứ 5, 15 Xà ngang 6, 16 Giá bậc lên xuống sau, 17 Tăng cứng xà ngang 6, 18 Giá bắt trục cân bằng nhíp trớc phía sau, 19 Dầm dọc trái, 20 Vai

bò trớc, 21 ụ sau nhíp trớc, 22 ụ trớc nhíp trớc.

Khung là hệ thống dầm chịu lực, nhận và truyền tất cả các lực, phản lực từ mặt đờng qua phần tử hớng của hệ thống treo truyền lên Khung xe gồm hai dầm dọc chính và các dầm ngang

Dầm dọc xe URAL-375 (Hình 1.5) có tiết diện hình chữ C, có chiều dài

7366 mm, kích thớc tiết diện dầm thay đổi theo chiều dài Phần đầu dầm (dài 1157

mm tính từ đầu xe trở lại) có tiết diện C180x80x6, phần cuối dầm (trên chiều dài

5416 mm) có tiết diện C250x80x6 Trên 2 dầm dọc có một số vấu và kết cấu gá lắp

động cơ, ắc quy, thùng nhiên liệu, thùng xe Hai dầm dọc đợc liên kết bằng năm dầm ngang có tiết diện ống tròn hoặc các dầm C ghép với nhau (vị trí trục cân bằng cân bằng) Các vị trí nối ghép, liên kết thờng bằng đinh tán

Hình 1.5 Kết cấu dầm dọc khung xe URAL-375

Dầm ngang thứ nhất (Hình 1.6) dùng để bố trí các chân két làm mát và chân

đế trớc của tổng thành động cơ

Dầm ngang thứ nhất có tiết diện hình chữ U, đợc liên kết với hai dầm dọc bằng đinh tán

Hình 1.6 Kết cấu cấu dầm ngang số 1 URAL-375

Trên dầm ngang thứ nhất có khoét lỗ để bắt két nớc, động cơ và liên kết với dầm dọc bằngđinh tán

Dầm ngang thứ hai (Hình 1.7) dùng để lắp đặt chân ca bin gồm hai dầm phụ

có thiết diện chữ C

Hình 1.7 Kết cấu dầm ngang số 2 URAL-375

Dầm ngang thứ ba và thứ t dùng để lắp đặt giá treo hộp số phân phối Tiết diện các dầm này hình chữ ống tròn, liên kết với dầm dọc thông qua các mặt bích

đợc bắt với thành dầm dọc của khung xe

Hình 1.8 Kết cấu dầm ngang số 3 và 4 của khung xe URAL-375

Dầm ngang thứ năm (Hình 1.9) đợc sử dụng để tăng độ cứng vững cho khung xe ở vị trí lắp đặt giá trục cân bằng treo sau xe Kết cấu của dầm gồm hai dầm phụ tiết diện hình chữ C và một dầm phụ có tiết diện hình chữ U đợc ghép lại với nhau bằng đinh tán, ở dới đáy dầm có dạng lõm để luồn trục các đăng, các dầm này đợc liên kết với mặt trên và dới dầm dọc thông qua tấm ốp tăng cứng hình chữ

C bằng đinh tán Tấm ốp tăng cứng này liên kết với mặt trên và dới của dầm ngang và đồng thời liên kết với thành đứng của dầm dọc bằng đinh tán

Hình 1.9 Kết cấu cấu dầm ngang số 5 URAL-375

Dầm ngang thứ sáu (Hình 1.10) là dầm cuối của khung xe, trên dầm có bố trí kết cấu kéo móc Kết cấu của dầm bao gồm một dầm chính có thiết diện chữ C, các dầm ốp tăng cứng dọc và ngang Dầm chính đợc liên kết với thành đứng của dầm dọc bằng đinh tán Các dầm phụ tăng cứng cho dầm ngang đợc liên kết với dầm dọc bằng đinh tán

Hình 1.10 Kết cấu cấu dầm ngang số 6 URAL-375

Các dầm dọc và các dầm ngang của khung xe URAL-375 đợc chế tạo từ thép C15 bằng phơng pháp dập

Vật liệu chế tạo, các giá lắp các ụ nhíp, tai bắt giảm chấn, các miếng tăng cứng cục bộ sử dụng thép C35

Khung xe là hệ thống dầm chịu lực, nhận và truyền tất cả các lực, phản lực

từ mặt đờng qua phần tử hớng của hệ thống treo lên trên Khung xe có nhiều dạng khác nhau tuỳ theo cách phân loại nh : khung có dầm dọc hai bên, khung có dầm dọc ở giữa, khung chịu lực, vỏ chịu lực, khung có tiết diện hình vuông, khung có tiết diện hình thang, ….Đối với xe vận tải chủ yếu là loại khung có dầm dọc hai bên, loại này gồm hai dầm dọc chính và các dầm ngang Các dầm ngang dùng để bắt các cụm chi tiết trên xe, làm nhiệm vụ tăng cứng cho hai dầm dọc Để tăng cứng cho hai dầm dọc có các tấm táp dùng để tăng cứng cho những vị trí chịu tác

động của tải trọng mặt đờng Dầm ngang có hình thù đặc biệt để bố trí các cụm cơ cấu trên xe

Dầm dọc có tiết diện hở (chữ U) đợc dùng phổ biến hơn dầm dọc có tiết diện loại kín (hình hộp); tiết diện hình hộp đợc dùng trên xe vận tải trên 25 tấn Khi độ dày của lá thép nằm trong khoảng 5mmữ 6mm ngời ta dùng phơng pháp dập nguội còn các trờng hợp khác đều dùng phơng pháp dập nóng

Vì các dầm ngang làm nhiệm vụ đỡ các cụm khác nhau nh đỡ động cơ, ly hợp, cụm truyền lực…nên dầm ngang thờng làm theo hình dạng thích hợp để lắp các cụm đó Ngoài ra còn lắp các mặt bích riêng để gắn các cụm khác nh vỏ, hệ thống treo…

Ôtô tải nặng và ô tô tự đổ thờng dùng khung có các dầm dọc, dầm ngang bằng thép cán tiết diện không đổi hoặc thép hàn vì vậy trọng lợng khung xe thờng lớn

Trọng lợng khung xe ô tô tải kể cả các mặt bích và ụ đỡ cao su chiếm đến 10%ữ15% trọng lợng riêng của ô tô

Các dạng dầm ngang dạng chữ K và X đảm bảo độ cứng khung lớn nhất theo chiều dọc và đờng chéo Các dầm ngang hình chéo làm tăng độ cứng của khung lên nhiều khi khung xe chịu các lực dọc đối xứng Các dầm ngang chữ thập thờng đợc sử dụng rộng rãi trong các khung ô tô có bề ngang tơng đối rộng và chiều dài tơng đối ngắn (ôtô du lịch), trong các khung hẹp có bề ngang hẹp và chiều dài lớn (ôtô vận tải) dùng dầm ngang có hiệu quả thấp nên ngời ta ít sử dụng

Có khi ngời ta sử dụng dầm ngang có tiết diện tròn hay tiết diện elíp Trong hệ thống treo độc lập ở các bánh xe trớc, cần phải tăng cờng độ cứng của khung ở phần trớc

Dầm ngang đợc gắn ở đáy dầm dọc hoặc ở thành của dầm dọc, hoặc một

đầu gắn vào đáy dầm dọc một đầu vào thành dầm dọc Dầm ngang gắn vào dầm dọc bằng đinh tán, tấm phụ nghiêng hoặc chỉ bằng đinh tán và đôi khi bằng các mối hàn

Theo yêu cầu chống xoắn của khung mà khung có các đặc điểm kết cấu khác nhau Khung xe ô tô du lịch có vỏ kín cần phải có độ cứng theo góc cao để giữ vỏ và các cụm khác gắn trên khung khỏi chịu các biến dạng lớn quá khi vỏ cầu, dầm cầu ô tô bị nghiêng Các biến dạng của vỏ làm vỏ dịch chuyển các phần riêng, nên cửa ra vào bị kêu và bị kẹt

Đối với các ô tô vận tải ngời ta chỉ làm khung xe có độ cứng trung bình

khung thì bánh xe vẫn còn tiếp xúc đợc với đờng Để giữ cho buồng lái và các cụm khác khỏi biến dạng khi khung xe bị nghiêng, ngời ta đặt buồng lái và các cụm khác trên đệm đàn hồi

Loại khung có dầm dọc ở giữa có độ cứng góc lớn nhất Nhng khung xe có

độ cứng góc lớn quá cũng làm ảnh hởng đến sự tiếp xúc của bánh xe với đờng Để khắc phục nhợc điểm này ngời ta làm hệ thống treo độc lập cho tất cả cac bánh xe Trong kết cấu một số ô tô riêng ngời ta làm các hệ thống treo có tính chất thăng bằng để giữ khung xe ít bị nghiêng khi ô tô chuyển động trên đờng nhiều ổ gà

Khung xe ô tô loại hỗn hợp có độ cứng cao nên ngời ta thờng dùng cho ô tô

du lịch nhiều chỗ ngồi

Kích thớc khung ô tô đợc xác định bởi kích thớc của ô tô Muốn tăng độ cứng của khung xe có dầm dọc khi độ dài đã xác định cần làm chiều rộng của khung xe lớn lên nhng kích thớc chiều rộng của ô tô bị hạn chế bởi bố trí chung của ô tô

Bố trí độ cao của dầm dọc (tính từ mặt đất lên) phụ thuộc chủ yếu bới kích thớc lốp, bởi kết cấu của dầm cầu sau, bởi độ võng động của hệ thống treo có kể cả

sự phân bố của các vú cao su Để hạ thấp sàn xe dầm dọc có thể uốn trong mặt phẳng dọc Cần nhớ rằng uốn khung trong mặt phẳng ngang và dọc làm tăng mômen uốn phụ từ đó dễ sinh ra h hỏng ở chỗ uốn làm cho độ bền trong khung xe kém đi

1.3 Đánh giá chất lợng khung xe ô tô ba cầu.

1.3.1. Cơ sở đánh giá chất lợng khung xe ô tô.

Khung xe là một bộ phận có kết cấu, kiểu dáng phức tạp và chịu lực nặng nề

do đó để đánh giá chúng một cách toàn diện phải dựa vào nhiều chỉ tiêu khác nhau Hiện nay ngời ta đánh giá chất lợng khung xe chủ yếu theo các chỉ tiêu sau:

 Đánh giá theo độ cứng uốn do tải trọng thẳng đứng khi xe chuyển động qua các ổ gà vì đây là chế độ tải trọng khả nặng nề Việc đánh giá độ bền uốn khung xe dựa vào lý thuyết sức bền vật liệu

 Đánh giá theo độ cứng xoắn khi xe chuyển động trong điều kiện đờng xấu làm khung xe bị nghiêng nhiều gây xoắn lớn Việc đánh giá độ bền xoắn khung xe dựa vào lý thuyết sức bền vật liệu

 Đánh giá theo độ bền và độ bền mỏi: trong thực tế khung xe rất ít khi h hỏng do ứng suất vợt quá giá trị cho phép của vật liệu mà thờng xẩy ra h hỏng do ứng suất thay đổi theo thời gian (độ bền mỏi) ứng suất thay đổi theo thời gian này có trị số nhỏ hơn rất nhiều giá trị ứng suất cho phép thậm chí còn nhỏ hơn giới hạn đàn hồi của vật liệu

a Độ cứng

Khung xe URAL-375 là kết cấu khung rời, chịu lực do vậy để đánh giá độ cứng vững của chúng có thể sử dụng các thông số nh độ cứng uốn, độ cứng xoắn

và các chỉ tiêu dẫn xuất từ chúng nh độ cứng uốn riêng, độ cứng xoắn riêng Đối với xe tải, các chỉ tiêu này đợc xác định khi bỏ qua các mảng ốp đầu xe, đuôi xe, các cửa lên xuống và các cửa sổ

Độ cứng uốn C ,

U (N/mm) đợc xác định theo công thức:

C P f

U

Độ cứng xoắn C' (Nm/độ) đợc xác định theo công thức:

C X' = M

Độ cứng uốn riêng C''u (Nm3/độ) đợc xác định theo công thức:

C PL

f

X

'' = 3

(1.3)

Độ cứng xoắn riêng C''x (Nm2/độ) đợc xác định theo công thức:

C X'' = ML

Trong đó :

P- Lực vuông góc với mặt phẳng khung,N.

f- Chuyển vị do P gây nên, mm.

M- Mô men gây xoắn, Nm.

ψ- Góc xoắn theo toàn bộ chiều dài khung, độ

L- Chiều dài cơ sở của xe, mm.

Mặt khác độ cứng vững của khung xe có thể đợc đánh giá qua các chuyển vị, biến dạng tại các nút phần tử Độ cứng vững của khung xe tải đợc đánh giá bằng

độ biến dạng kết cấu khung tại các vị trí đặc biệt nh: các điểm đặt động cơ, hệ thống truyền lực,

Trong kết cấu thực các vị trí này đều có đệm đàn hồi và dung sai tơng đối lớn, nên trong thực tế đối với kết cấu khung xe, ngời ta quan tâm tới độ bền nhiều hơn

b Độ bền

Đối với kết cấu khung xe, việc kiểm nghiệm độ bền có ý nghĩa quan trọng

Độ bền khung xe đợc đánh giá bằng sự phân bố ứng suất trên toàn bộ khung và giá trị ứng suất lớn nhất tại các mặt cắt nguy hiểm so với giá trị cho phép của vật liệu

Đối với vật liệu thép chế tạo khung xe, gía trị này là [σ] = 25000N/cm2

Biểu đồ phân bố ứng suất cho phép chỉ ra các khu vực tập trung ứng suất trên khung xe, làm cơ sở hoàn thiện kết cấu khung xe khi thiết kế

c Độ bền mỏi

Các tải trọng sinh uốn và xoắn bao gồm cả tải trọng tĩnh và động sẽ gây mỏi cho các phần tử của xe

Độ bền mỏi của khung vỏ xe tải sẽ phụ thuộc rất nhiều vào độ cứng xoắn Khả năng chịu tải trọng xoắn của khung vỏ xe tải phụ thuộc vào kết cấu của chúng Việc đánh giá chất lợng khung xe chủ yếu theo hai phơng pháp sau:

ph-ơng pháp thực nghiệm, đây là phph-ơng pháp đòi hỏi nhiều công sức, thời gian và không kinh tế Nhợc điểm cơ bản là không kiểm soát đợc quá trình gia công và chế tạo chi tiết, không dự báo trớc đợc những h hỏng của chi tiết Do đó phơng pháp này ít khi đợc áp dụng trong thực tế Ngày nay ngời ta hay sử dụng phơng pháp số,

đây là phơng pháp mới không đòi hỏi nhiều thời gian và tiền của mà vẫn cho kết quả tin cậy áp dụng thành tựu của công nghệ thông tin trong việc giải quyết các bài toán liên quan đến ô tô nói chung và bài toán liên quan đến khung vỏ nói riêng Toàn bộ quá trình gia công và chế tạo chi tiết hoàn toàn có thể kiểm soát đợc T t-ởng cơ bản của bài toán là dùng các phần mềm mạnh xây dựng mô hình tính khung vỏ xe, mô hình xây dựng đợc là mô hình phần tử hữu hạn bao gồm các nút, các phần tử, các ràng buộc liên quan đến nó Hiện nay có nhiều phần mềm phân tích phần tử hữu hạn nh: SAP, ANSYS,…mà ta có thể áp dụng cho bài toán đánh giá chất lợng khung xe cho kết quả đáng tin cậy

Phụ thuộc vào mục đích đánh giá chất lợng khung xe mà có các dạng bài toán tính khung vỏ xe khác nhau:

 Theo dạng tải trọng tác dụng chia ra:

− Bài toán tĩnh

− Bài toán động