Khung vỏ chịu tải dùng để đỡ và bắt chặt động cơ, các cụm của hệ thống truyền lực
Chơng 1 Tổng quan 1.1. Giới thiệu chung về khung vỏ xe ô tô. Khung vỏ chịu tải dùng để đỡ và bắt chặt động cơ, các cụm của hệ thống truyền lực, đồng thời nó là nơi chịu toàn bộ tải trọng của xe, những tác động thay đổi từ mặt đờng lên xe khi xe chuyển động, tác động của lực cản khí động, lực quán tính, lực phanh và các lực do va chạm. Đồng thời, do phải đáp ứng các yêu cầu hết sức đa dạng về độ bền, độ cứng vững, độ bền lâu, cũng nh các yêu cầu về khí động học và thẩm mỹ và công thái học nên trong thực tế kết cấu khung vỏ ô tô rất đa dạng. - Theo loại hệ thống chịu lực trong ô tô chia ra ba loại chính (Hình 1.1): + 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 đ- ợc 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. 4 Hình 1.1: Các dạng khung vỏ điển hình của ô tô a. Khung chịu lực b. Vỏ chịu lực c. Khung vỏ chịu lực hỗn hợp + 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. Tuỳ theo tiêu chỉ mà khung xe đợc phân thành nhiều loại khác nhau. - Theo kết cấu của khung chia ra: + Khung có dầm dọc ở hai bên (Hình 1.2a) + Khung có dầm dọc ở giữa (Hình 1.2b) + Khung hỗn hợp hay loại khung hình chữ X (Hình 1.2c) 5 Hình 1.2: Các dạng khung chịu lực trên ô tô - Theo dạng dầm dọc và sự bố trí dầm dọc trong mặt phẳng khung chia ra: + Khung có tiết diện hình vuông và dầm dọc bố trí song song + Khung có tiết diện hình thang và dầm thẳng + Khung có phần đầu thu hẹp Do mục đích, công dụng khác nhau, chế độ khai thác và tải trọng đa dạng và phức tạp nên các yêu cầu cơ bản đối với khung chịu lực là: độ cứng vững cao, độ bền cao, độ bền lâu cao (độ bền mỏi). Mặt khác khung xe chịu lực phải có kết cấu hợp lý, hình dạng thích hợp để có thể bố trí lắp đặt các cụm, hệ thống, thiết bị khác trên xe. Khung ô tô là một bộ phận rất quan trọng của ô tô do đó khi thiết kế nó phải thoả mãn các yêu cầu: - 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 đ- ợc 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 chớng ngại vật va đập vào đầu trớc của dầm dọc. 6 1.2. Đặc điểm kết cấu khung xe ô tô quân sự. Khung ô tô thờng có kết cấu là các dầm dọc và dầm ngang liên kết cứng với nhau. Các dầm này thờng chế tạo bằng các vật liệu có tính chất đàn hồi cao nh: thép ít cácbon, thép hợp kim. Các dầm dọc và dầm ngang có tiết diện khác nhau tuỳ theo kết cấu và tải trọng tác dụng lên khung. Các dầm ngang liên kết với dầm ngang nhờ đinh tán, hàn, chúng đợc tăng cứng nhờ các tấm táp. Trên dầm dọc có nhiều vị trí đợc khoan lỗ để tránh các vết nứt gây phá huỷ do mỏi. Dầm dọc có tiết diện hở (chữ U) đợc dùng phổ biến hơn dầm dọc có tiết diện kín (hình hộp), tiết diện kín thờng đợc dùng trên các xe tải trên 25 tấn. Các dầm ngang làm nhiệm vụ tăng cứng cho dầm dọc tại các vị trí chịu lực, đồng thời nó đợc sử dụng để đỡ các cụm động cơ, ly hợp, hộp số nên nó thờng làm theo dạng thích hợp để thuận lợi cho việc bố trí và lắp đặt các cụm đó. Các dầm ngang thờng đợc cấu thành từ các dầm có tiết diện dạng chữ K và chữ X đảm bảo độ cứng vững khung lớn nhất theo chiều dọc và đờng chéo. 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 và 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 và 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 xe có độ cứng không cao lắm để khi vỏ cầu và dầm cầu bị nghiêng đối 7 với 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. Hình 1.3: Khung xe chỉ huy CH-551 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 đ- ờng. 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 đ- ờng 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. 8 Bố trí độ cao của dầm dọc (tính từ mặt đất lên) phụ thuộc chủ yếu bởi kích thớc lốp, bởi kết cấu của dầm cầu sau, bởi độ võng động của hệ tống 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 mô men uốn phụ và dễ sinh ra h hỏng ở chỗ uốn nên độ bền trong khung xe kém đi. Vật liệu làm khung phải đảm bảo các yêu cầu: Giới hạn chảy dẻo cao, ít nhạy cảm với hiện tợng tập trung ứng suất, có thể sử dụng để gia công bằng các phơng pháp dập nguội, hàn. Do vậy khi chế tạo khung xe thờng sử dụng thép hợp kim có hàm lợng cacbon thấp và trung bình. Khung xe du lịch đợc chế tạo bằng thép kết cấu 20T dầy 3,0-4,0 mm. Khung xe tải sử dụng thép 25T, 30T, có chiều dày 5,0-9,0mm tuỳ theo trọng tải xe. 1.3. Tải trọng tác dụng lên khung xe ô tô. Khung xe ô tô là tổng thành có kiểu dáng, kết cấu và tải trọng tác dụng rất đa dạng và phức tạp. Tuỳ theo quan điểm phân loại tải trọng tác dụng mà ng- ời ta phân ra: tải trọng tĩnh, tải trọng động; tải trọng gây ồn rung, tải trọng gây mỏi Tải trọng tác dụng lên khung xe ô tô thờng chia ra hai loại sau: - Tải trọng tĩnh (do tự trọng của khung xe, trọng lợng của các cụm hệ thống lắp đặt lên nó và phản lực tĩnh từ mặt đờng ) - Tải trọng động (chủ yếu là tải trọng thẳng đứng khi xe chuyển động qua ổ gà và tải trọng nằm ngang khi xe tăng tốc, khi phanh, khi quay vòng). Các tải trọng này gây ra trong kết cấu khung vỏ xe các ứng suất thay đổi theo thời gian làm chúng xuất hiện những h hỏng nh: khung vỏ bị gãy, vỡ, nứt 9 Đặc điểm của ô tô là làm việc ở tốc độ cao với các chế độ tải trọng khác nhau. ứng suất sinh ra trong khung cũng nh trong các chi tiết của ô tô phụ thuộc bởi chế độ tải trọng tác dụng lên chúng trong điều kiện sử dụng. Trong khi sử dụng, các chi tiết của ô tô sẽ chịu tải trọng động. Tải trọng động có thể gấp nhiều lần tải trọng tĩnh. Để đảm bảo cho khung xe và các chi tiết của ô tô làm việc đợc an toàn, ngoài tải trọng tĩnh cần phải xác định tải trọng động tác dụng lên khung xe và các chi tiết khi ô tô đang ở trạng thái làm việc. Thông qua sự tổng hợp giữa tải trọng tĩnh, hệ số an toàn, thống kê xác suất tải trọng động, chúng ta có một chế độ tải trọng dùng trong tính toán thiết kế. Xác định chính xác trị số tải trọng động tác dụng lên khung xe là một vấn đề rất phức tạp, vì tải trọng động có thể sinh ra trong những điều kiện làm việc khác nhau. Hệ số tải trọng động thờng đợc xác định theo công thức kinh nghiệm nhận đợc từ hàng loạt các thí nghiệm. Thông thờng tải trọng động đợc đặc trng bằng hệ số tải trọng động. Hệ số này bằng tỉ số của trị số tải trọng động trên tải trọng tĩnh. (1.1) Tải trọng động tác động lên khung và các cụm chi tiết không đợc treo phụ thuộc chủ yếu bởi sự tác động giữa bánh xe và mặt đờng. Hệ số tải trọng động trong trờng hợp này bằng tỷ số giữa lực động và lực tĩnh tác dụng thẳng góc lên bánh xe. Khi đánh giá độ cứng và độ bền của khung vỏ xe phụ thuộc vào giá trị và chiều tác dụng của các phản lực thẳng đứng từ mặt đờng, có hai chế độ tải trọng tính toán là chế độ tính uốn tĩnh và chế độ tính xoắn tĩnh. 10 K d = Tải trọng động Tải trọng tĩnh - Tải trọng khi tính theo uốn : P P m g a L tr ph tr1 1 2 1 2 = = (1.2) P P m g a L tr ph tr2 2 1 1 2 = = (1.3) Trong đó: P i - Khối lợng phần đợc treo phân bố lên cầu i, N m tr - Khối lợng phần đợc treo của xe, N g - Gia tốc trọng trờng, m/s 2 a i - Khoảng cách từ trọng tâm phần đợc treo của xe đến cầu i, mm L- Chiều dài cơ sở xe, mm - Tải trọng khi tính theo xoắn (xét trờng hợp xe có tải trọng phân lên cầu trớc nhỏ hơn cầu sau): M m a L b tr = 1 2 2 1 (1.4) Trong đó: b i - Vết bánh xe cầu i, mm M- Mô men xoắn, Nmm Khi một bên bánh xe tách khỏi nền đờng thì mô men xoắn lớn nhất xác định theo công thức: M mg a L b ' ' = 1 2 2 1 (1.5) Trong đó: M'- Mô men xoắn khung lớn nhất, Nmm 11 a ' i - Khoảng cách từ trọng tâm xe đến cầu i, mm m- Khối lợng toàn bộ của xe, N Ngời ta quan sát thấy ứng suất thay đổi theo thời gian này có trị số nhỏ hơn rất nhiều giới hạn bền thậm chí còn nhỏ hơn giới hạn đàn hồi của vật liệu. Tuy nhiên tích lũy dần sự phá hỏng trong bản thân vật liệu dới tác động của ứng suất thay đổi theo thời gian, ứng suất này làm xuất hiện các vết nứt mỏi, sau đó vết nứt ấy phát triển và dẫn tới phả huỷ của vật liệu. Sự phá hủy ấy đợc gọi là sự phá huỷ vì mỏi. Các chi tiết của khung cũng bị tác động của ứng suất thay đổi theo thời gian. Do đó nội dung nghiên cứu cơ sở tính bền mỏi của khung xe là một bài toán mới. Để có thể tính toán độ bền mỏi của khung xe ta phải xây dựng mô hình tính toán đủ hợp lý và có khả năng áp dụng các công cụ hiện có để đánh giá độ bền mỏi. 1.4. Tầm quan trọng khi nghiên cứu độ bền mỏi. Hiện tợng phá huỷ của chi tiết máy và cấu kiện do ứng suất thay đổi theo thời gian gây ra đã đợc phát hiện cách đây hơn 100 năm. Ngời ta quan sát thấy rằng ứng suất thay đổi theo thời gian này có trị số nhỏ hơn rất nhiều giới hạn đàn hồi của vật liệu làm ra chi tiết máy và cấu kiện. Vì thế tính toán thiết kết chi tiết máy theo ứng suất cho phép tỏ ra cha đủ độ tin cậy. Từ đó xuất hiện một lĩnh vực mới trong nghiên cứu và thiết kế chi tiết máy là Lý thuyết mỏi. Trên ô tô khi thiết kế mặc dù chi tiết có kết cấu đủ bền nhng ngời ta vẫn thấy xuất hiện các vết nứt đặc biệt là khung vỏ ô tô, từ đó gây phá huỷ. Vì vậy khi nghiên cứu độ bền nói chung và độ bền mỏi nói riêng là một nội dung rất phức tạp. Nó có ý nghĩa hết sức quan trọng để đánh giá độ bền của chi tiết, đồng thời dự báo h hỏng có thể xẩy ra. Khung vỏ xe là cấu trúc lớn và phức tạp, là hệ siêu tĩnh bậc cao nên việc nghiên cứu nó thật không đơn giản. 12 Hiện nay có rất nhiều phần mềm có thể dùng để xây dựng mô hình khung vỏ xe, phục vụ cho các bài toán liên quan đến đánh giá chất lợng khung vỏ xe nh: Solidwords, Inventor, . Bên cạnh các phần mềm xây dựng mô hình tính có các phần mềm dùng để đánh giá độ bền mỏi kết cấu nói chung và khung vỏ xe nói riêng nh: Ansys, Sap2000, Mechanical Destop, .Với nhiều công cụ trợ giúp bằng máy tính nh vậy bài toán đánh giá chất lợng khung xe sẽ có nhiều thuận lợi hơn. 13 . dịch chuyển dọc khi ô tô gặp chớng ngại vật va đập vào đầu trớc của dầm dọc. 6 1.2. Đặc điểm kết cấu khung xe ô tô quân sự. Khung ô tô thờng có kết. chế độ tải trọng tính toán là chế độ tính uốn tĩnh và chế độ tính xoắn tĩnh. 10 K d = Tải trọng động Tải trọng tĩnh - Tải trọng khi tính theo uốn :