Tính toán, thiết kế hệ thống treo trên xe du lịch 5 chỗ dựa trên thông số cơ bản của xe Toyota Vios

Tính toán thiết kế, hệ thống treo trên xe,du lịch 5 chỗ, dựa trên thông số cơ bản, của xe Toyota Vios

LỜI NÓI ĐẦU Trong nền kinh tế đang tăng trưởng mạnh mẽ của nước ta, nhu cầu về giao

thông vận tải ngày càng lớn Vai trò quan trọng của ôtô ngày càng được khẳng định

vì ôtô có khả năng cơ động cao, vận chuyển được người và hàng hoá trên nhiều loạiđịa hình khác nhau Những năm gần đây, lượng xe du lịch có xu hướng tăng lên đặcbiệt là loại xe Toyota Vios với ưu điểm về khả năng cơ động tính kinh tế và thíchhợp với nhiều mục đích sử dụng khác nhau.Với ôtô nói chung và xe Toyota Viosnói riêng an toàn, êm dịu chuyển động là chỉ tiêu hàng đầu trong việc đánh giá chấtlượng khai thác và sử dụng của phương tiện Một trong các hệ thống quyết định đếntính an toàn, êm dịu và ổn định chuyển động là sự kết hợp hoàn hảo của hệ thống lái

và hệ thống treo đặc biệt là ở tốc độ cao Chính vì vậy em rất muốn tìm hiểu sâuhơn nữa về hai hệ thống này và cũng rất may cho em vì các thầy giáo trong bộ môn

cơ khí ôtô đã đồng ý cho em được nhận đồ án tốt nghiệp của mình là thiết kế hệthống treo trên xe du lịch 5 chỗ nên em đã lựa chọn thiết kế dựa trên thông số cơbản của xe Toyota Vios Sau hơn ba tháng làm việc nghiêm túc cùng với sự hướng

dẫn tận tình của thầy giáo Vũ Thế Truyền cùng các thầy giáo trong bộ môn cơ khí

và của các bạn sinh viên cùng lớp, em đã cơ bản hoàn thành đồ án tốt nghiệp củamình Trong quá trình thực hiện, chắc chắn em không tránh khỏi những thiếu sót do

đó em rất mong nhận được sự chỉ bảo và góp ý của các thầy và các bạn

Em xin chân thành cảm ơn !

Thái Nguyênngày tháng năm 2019

Sinh viên thực hiện

Cao Văn Quang

MỤC LỤC Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TREO 1.1.Công dụng, yêu cầu của hệ thống treo 1

1.2.Các bộ phận chính của hệ thống treo 2

1.3.Các thông số tương đương 5

1.4 Hệ thống treo phụ thuộc 6

1.5 Hệ thống treo độc lập 7

2.2.1 Dạng treo 2 đòn ngang 8

2.2.2 Dạng treo Mc.Pherson 9

2.2.3.Hệ thống treo đòn dọc 10

2.2.4.Hệ thống treo đòn dọc có thanh ngang liên kết 11

2.2.5Hệ thống treo đòn chéo 12

Chương 2 KẾT CẤU CÁC CHI TIẾT HỆ THỐNG TREO 2.1 Xác định các thông số cơ bản của xe Toyota Vios 13

2.2 Lựa chọn phương án thiết kế hệ thống treo(HTT) 13

2.3 Cấu tạo các chi tiết của hệ thống treo độc lập Mc.Pherson 14

Chương 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG TREO TRÊN XE DU LỊCH 5 CHỖ 3.1 Xác định tần số dao động của hệ thống treo Mc.Pherson 19

3.2 Động học hệ thống thống treo Mc.pherson 22

3.2 1 Xác định độ dài càng chữ A và vị trí các khớp 22

3.2.2 Đồ thị động học để kiểm tra động học hệ treo 26

3.2.3 Mối quan hệ hình học của hệ thống treo Mc.Pherson 27

3.2.4 Đồ thị động học hệ thống treo Mc.Pherson 29

3.3 Động lực học hệ thống treo Mc Pherson 30

3.3.1 Các chế độ tải trọng tính toán 30

3.3.2 Xác định độ cứng và chuyển vị của phần tử đàn hồi 31

3.3.3 Xác định góc phản lực và lực tác dụng lên hệ thống treo 33

3.4 Chọn và kiểm bền các bộ phận chính 37

3.4.1 Đòn ngang chữ A 37

3.4.2 Tính bền Rôtuyn 42

3.5 Tính toán lò xo 43

3.5.1 Lực lớn nhất tác dụng lên lò xo 43

3.5.2 Trình tự thiết kế lò xo 44

3.5.3 Kết luận 47

3.6 Tính thanh ổn định 48

3.7 Tính toán giảm chấn 52

3.7.1 Chọn giảm chấn 52

3.7.2 Tính toán thiết kế giảm chấn 55

3.7.3 Tính bền ty đẩy piston của giảm chấn 61

Kết luận 63

Tài Liệu Tham Khảo 64

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TREO

1.1 Công dụng, yêu cầu của hệ thống treo

a Công dụng

Hệ thống treo ở đây được hiểu là hệ thống liên kết mềm giữa bánh xe và khung xehoặc vỏ xe Mối liên kết treo của xe là mối liên kết đàn hồi có chức năng chính sau đây:Tạo điều kiện cho bánh xe thực hiện chuyển động tương đối theo phương thẳngđứng đối với khung xe hoặc vỏ xe theo yêu cầu dao động “êm dịu”, hạn chế tới mức cóthể chấp nhận được những chuyển động không muốn có khác của bánh xe (như lắcngang, lắc dọc)

Truyền lực giữa bánh xe và khung xe bao gồm lực thẳng đứng (tải trọng, phản lực)lực dọc (lực kéo hoặc lực phanh, lực đẩy hoặc lực kéo với khung, vỏ) lực bên (lực li tâm,lực gió bên, phản lực bên )

b Yêu cầu

Trên hệ thống treo, sự liên kết giữa bánh xe và khung vỏ cần thiết phải mềm nhưngcũng phải đủ khả năng để truyền lực Quan hệ này được thể hiện ở các yêu cầu chính sauđây :

+ Hệ thống treo phải phù hợp với điều kiện sử dụng theo tính năng kỹ thuật của xe(xe chạy trên đường tốt hay xe chạy trên các loại đường khác nhau)

+ Bánh xe có thể chuyển dịch trong một giới hạn nhất định

+ Quan hệ động học của bánh xe phải hợp lý thoả mãn mục đích chính của hệ thốngtreo là làm mềm theo phương thẳng đứng nhưng không phá hỏng các quan hệ động học

và động lực học của chuyển động bánh xe

+ Không gây nên tải trọng lớn tại các mối liên kết với khung hoặc vỏ

+ Có độ bền cao

+ Có độ tin cậy lớn, không gặp hư hỏng bất thường

 Đối với xe con chúng ta cần phải quan tâm đến các yêu cầu sau :

- Giá thành thấp và độ phức tạp của hệ thống treo không quá lớn

- Có khả năng chống rung và chống ồn truyền từ bánh xe lên thùng, vỏ tốt

- Đảm bảo tính ổn định và tính điều khiển chuyển động của ô tô ở tốc độ cao, ô tôđiều khiển nhẹ nhàng

1.2 Các bộ phận chính của hệ thống treo

a Bộ phận đàn hồi

1

+ Chức năng: là bộ phận nối mềm giữa bánh xe và thùng xe, nhằm biến đổi tần sốdao động cho phù hợp với cơ thể con người (60-80 lần/ph) Bộ phận đàn hồi có thể bố tríkhác nhau trên xe nhưng nó cho phép bánh xe có thể dịch chuyển theo phương thẳngđứng

Các bộ phận đàn hồi thường được sử dụng:

 Lò xo

Lò xo chỉ có chức năng là một cơ cấu đàn hồi khi bộ phận chịu lực theo phương thẳngđứng Còn các chức năng khác của hệ thống treo sẽ do bộ phận khác đảm nhiêm Lò xochủ yếu được sử dụng trong hệ thống treo độc lập, nó có thể đặt ở đòn trên hay đòn dướicủa bộ phận dẫn hướng

 Thanh xoắn

Thanh xoắn giống như lò xo xoắn loại này cũng chỉ có chức năng đàn hồi khi chịu lựctác dụng theo phương thẳng đứng còn lại chức năng khác do bộ phận khác của hệ thốngtreo đảm nhận.

Hình 1.2 Thanh xoắn

Thanh xoắn được chế tạo từ thanh thép dài, có tiết diện tròn, đàn hồi theo chiềuxoắn vặn Một đầu của thanh xoắn được gắn cứng vào khung xe, đầu còn lại gắn vào mộttay đòn

Hiện nay bộ phận đàn hồi được làm có xu hướng “mềm mại” hơn nhằm tạo điềukiện cho bánh xe lăn “êm” trên mặt đường

Hiện nay người ta dùng các bộ phận đàn hồi có khả năng thay đổi độ cứng trongmột giới hạn rộng Khi xe chạy ít tải, độ cứng cần thiết có giá trị nhỏ, khi tăng tải thì độcứng cần phải có giá trị lớn Chính vì vậy mà cần phải có thêm các bộ phận đàn hồi phụnhư : Nhíp phụ,vấu tỳ bằng cao su biến dạng, đặc biệt là các bộ phận đàn hồi có khả năngthay đổi tự động độ cứng theo tải trọng kết hợp với các bộ phận thay đổi chiều cao trọngtâm của xe

b Bộ phận dẫn hướng

Cho phép các bánh xe dịch chuyển thẳng đứng ở mỗi vị trí của nó so với khung vỏ,bánh xe phải đảm nhận khả năng truyền lực đầy đủ Bộ phận dẫn hướng phải thực hiệntốt chức năng này Trên mỗi hệ thống treo thì bộ phận dẫn hướng có cấu tạo khác nhau.Quan hệ của bánh xe với khung xe khi thay đổi vị trí theo phương thẳng đứng được gọi

là quan hệ động học

Khả năng truyền lực ở mỗi vị trí được gọi là quan hệ động lực học của hệ treo.Trong mối quan hệ động học các thông số chính được xem xét là : sự dịch chuyển(chuyển vị) của các bánh xe trong không gian ba chiều khi vị trí bánh xe thay đổi theophương thẳng đứng (z).Mối quan hệ động lực học được biểu thị qua khả năng truyền cáclực và các mô men khi bánh xe ở các vị trí khác nhau

c Bộ phận giảm chấn

Đây là bộ phận hấp thụ năng lượng dao động cơ học giữa bánh xe và thân xe Bộphận giảm chấn có ảnh hưởng tới biên độ dao động Trên các xe hiện đại chỉ dùng loại

3

giảm chấn ống thuỷ lực có tác dụng hai chiều trả và nén Trong hành trình trả (bánh xe đi

xa khung và vỏ) giảm chấn có nhiệm vụ giảm bớt xung lực va đập truyền từ bánh xe lênkhung

Trên xe ôtô giảm chấn được sử dụng với mục đích sau:

- Giảm và dập tắt các va đập truyền lên khung khi bánh xe lăn trên nền đườngkhông bằng phẳng nhằm bảo vệ được bộ phận đàn hồi và tăng tính tiện nghi cho người sửdụng

- Đảm bảo dao động của phần không treo ở mức độ nhỏ nhất, nhằm

làm tốt sự tiếp xúc của bánh xe với mặt đường

-Nâng cao các tính chất chuyển động của xe như khả năng tăng tốc ,

khả năng an toàn khi chuyển động

e Các vấu cao su tăng cứng và hạn chế hành trình

Trên xe con các vấu cao su thường được đặt kết hợp trong vỏ của giảm chấn Vấucao su vừa tăng cứng vừa hạn chế hành trình của bánh xe nhằm hạn chế hành trình làmviệc của bánh xe

f Các cơ cấu điều chỉnh hoặc xác định góc bố trí bánh xe

Hệ thống treo đảm nhận mối liên kết giữa bánh xe và thùng vỏ, do vậy trên hệ thốngtreo có thêm các cơ cấu điều chỉnh hoặc xác định góc bố trí bánh xe Các cơ cấu này rất

đa dạng nên ở mỗi loại xe lại có cách bố trí khác nhau, các loại khác nhau

1.3 Các thông số tương đương

a Các thông số tương đương

- Phần được treo: Là bộ phận chủ yếu của ôtô bao gồm: khung, thùng, hệ thốngđộng cơ và các chi tiết bộ phận khác gắn trên thùng xe hoặc khung xe Toàn bộ khốilượng của các bộ phận này được đỡ trên hệ thống treo

- Phần không được treo gồm có: Cầu , dầm cầu, hệ thống chuyển động (cụm bánh

xe ), cơ cấu dẫn động lái Các bộ phận này đặt dưới hệ thống treo

- Có một số chi tiết và bộ phận vừa được lắp lên phần được treo vừa được lắp lênphần không được treo như: nhíp, lò xo, giảm chấn, trục cardan Do đó một phần khốilượng của chúng được xem như thuộc phần được treo và nửa kia thuộc phần không đượctreo

5

3

6

2

Hình 1.5 Treo phụ thuộc loại lò xo xoắn ốc

1.Dầm cầu 2.Lò xo xoắn ốc 3 Giảm chấn 4.Đòn dọc dưới

5.Đòn dọc trên 6 Thanh giằng Panhada

Nếu như bộ phận đàn hồi là lò xo xoắn phải dùng thêm hai đòn dọc dưới và mộthoặc hai đòn dọc trên Đòn dọc dưới được nối với cầu, đòn dọc trên được nối với khớptrụ (hình ) Để đảm bảo truyền được lực ngang và ổn định vị trí thùng xe so với cầu người

ta cũng phải dùng thêm “đòn Panhada”, một đầu nối với cầu còn đầu kia nối với thùngxe

Lò xo xoắn ốc trong trường hợp này có thể đặt trên đòn dọc hoặc đặt ngay trên cầu.Giảm chấn thường được đặt trong lòng lò xo xoắn ốc để chiếm ít không gian

*Cấu tạo của hệ thống treo phụ thuộc có những ưu nhược điểm:

 Nhược điểm:

- Khối lượng phần liên kết bánh xe (phần không được treo) lớn, đặc biệt là ở cầu chủđộng Khi xe chạy trên đường không bằng phẳng, tải trọng động sinh ra sẽ gây nên vàđập mạnh giữa phần không treo và phần treo làm giảm độ êm dịu chuyển động Mặt khácbánh xe va đập mạnh trên nền đường sẽ làm xấu sự tiếp xúc của bánh xe với đường

- Khoảng không gian phía dưới sàn xe phải lớn để đảm bảo cho dầm cầu có thể thayđổi vị trí, do vậy chỉ có thể lựa chọn là chiều cao trọng tâm lớn

Hình 1.6 Sự thay đổi vị trí bánh xe và của xe khi xe trèo lên mô đất.

-Sự nối cứng bánh xe 2 bên bờ dầm liên kết gây nên hiện tượng xuất hiện chuyển vịphụ khi xe chuyển động

Do yêu cầu của thực tế và do trình độ phát triển của kỹ thuật thì tốc độ của ô tôngày càng được nâng cao Khi tốc độ ô tô ngày càng cao thì yêu cầu về kỹ thuật của ô tôngày càng khắt khe : trọng tâm của ô tô cần phải được hạ thấp Vấn đề ổn định lái phảitốt, trọng lượng phần không được treo nhỏ để tăng sự êm dịu khi chuyển động Vì lí donhư vậy mà hệ thống treo phụ thuộc không được sử dụng trên xe có vận tốc cao, có chăngchỉ được sử dụng ở những xe có tốc độ trung bình trở xuống và những xe có tính năngviệt dã cao.

1.5 Hệ thống treo độc lập

 Đặc điểm :

- Trên hệ thống treo độc lập dầm cầu được chế tạo rời, giữa chúng liên kết với nhau

bằng khớp nối, bộ phận đàn hồi là lò xo trụ, bộ giảm chấn là giảm chấn ống Trong hệthống treo độc lập hai bánh xe tráI và phảI không quan hệ trực tiếp với nhau vì vậy khichúng ta dịch chuyển bánh xe này trong mặt phẳng ngang bánh xe còn lại vẫn giữnguyên Do đó động lực học của bánh xe dẫn hướng sẽ giữ đúng hơn hệ then treo phụthuộc

a Khi oto chuyển động trên đường b Khi một bánh xe trong hệ thống treo độc lập không bằng phẳng

Hình 1.7 Hệ thống treo độc lập của ôtô hoạt động trên đường không bằng phẳng.

 Ưu điểm của hệ thống treo độc lập:

+ Khối lượng phần không được treo nhỏ, đặc tính bám đường của bánh xe tốt vìvậy sẽ em dịu khi chuyển động và có tính ổn định tốt

+ Các lò xo chỉ làm nhiệm vụ đỡ thân ôtô mà không phải làm nhiệm vụ dẫn hướngnên có thể làm lò xo mềm hơn nghĩa là tính êm dịu tốt hơn

+ Do không có sự nối cứng giữa các bánh xe bên trái và bên phải nên có thể hạthấp sàn ôtô và vị trí lắp động cơ Do đó mà có thể hạ thấp trọng tâm ôtô

 Nhược điểm:

+ Kết cấu phức tạp

7

+ Khoảng cách bánh xe và các vị trí đặt bánh xe thay đổi cùng với sự dịch chuyểnlên xuống của các bánh xe.

- Trong hệ thống treo độc lập còn được phân ra các loại sau :

1 Bánh xe 2 Đòn trên 3 Khung xe 4 Trụ đứng

5 Khớp cầu trên 6 Khớp cầu dưới 7 Đòn dưới 8 Lò xo

Hệ treo trên 2 đòn ngang (hình 2.6) được sử dụng nhiều trong các giai đoạn trước đâynhưng hiện nay hệ treo này đang có xu hướng ít dần do kết cấu phức tạp, chiếm khoảngkhông gian quá lớn

và trục giảm trấn.

Nếu ta so sánh với hệ treo 2 đòn ngang thì hệ treo Mc.Pherson kết cấu ít chi tiếthơn, không chiếm nhiều khoảng không và có thể giảm nhẹ được trọng lượng kết cấu.Nhưng nhược điểm chủ yếu của hệ treo Mc.Pherson là do giảm chấn vừa phải làm chứcnăng của giảm chấn lại vừa làm nhiệm vụ của trụ đứng nên trục giảm chấn chịu tải lớnnên giảm trấn cần phải có độ cứng vững và độ bền cao hơn do đó kết cấu của giảm chấnphải có những thay đổi cần thiết

1.5.3 Hệ treo đòn dọc

*Đặc điểm:

Hệ treo hai đòn dọc ( Hình 1.13) là hệ treo độc lập mà mỗi bên có một đòn dọc Mỗiđầu của đòn dọc được gắn cứng với trục quay của bánh xe, một đầu liên kết với khung vỏbởi khớp trụ Lò xo và giảm chấn đặt giữa đòn dọc và khung Đòn dọc vừa là nơi tiếp

9

nhận lực ngang, lực dọc, và là bộ phận hướng dẫn Do phải chịu tải trọng lớn nên nóthường được làm có độ cứng vững tốt.

Hình 1.10 Sơ đồ nguyên lý hệ treo hai đòn dọc

1 Khung vỏ 2 Lò xo 3 Giảm chấn 4 Bánh xe

5 Đòn dọc 6 Khớp quay

Khớp quay của đòn dọc thường là khớp trụ, với hai ổ trượt đặt xa nhau để có khảnăng chịu lực theo các phương cho hệ treo Đồng thời đòn dọc đòi hỏi cần phải có độcứng vững lớn, nhằm mục đích chịu được các lực dọc, lực bên và chịu mômen phanh lớn

Do có kết cấu như vậy, nên hệ treo này chiếm ít không gian và đơn giản về kết cấu,giá thành hạ Hệ treo này thường được bố trí cho cầu sau bị động, khi máy đặt ở phíatrước, cầu trước là cầu chủ động

Hệ treo đòn dọc chiếm các khoảng không gian hai bên sườn xe nên có thẻ tạo điềukiện cho việc hạ thấp trọng tâm xe và có thể nâng cao tốc độ, dành một phần không gianlớn cho khoang hành lý

1.5.4 Hệ treo đòn dọc có thanh ngang liên kết

Hệ treo này xuất hiện trên xe con vào những năm 70 cùng với sự hoàn thiện kết cấucho các xe có động cơ và cầu trước chủ động

1

4 5

6

Hình 1.11 Sơ đồ nguyên lý hệ treo đòn dọc có thanh ngang liên kết.

1.Bánh xe 2 Khớp quay trụ cầu đòn dọc 3 Đòn dọc 4 Thùng xe

5 Lò xo 6 Giản chấn

Hệ treo đòn dọc có thanh ngang liên kết

có đặc điểm là hai đòn dọc được nối cứng với nhau bởi một thanh ngang Thanhngang liên kết đóng vai trò như một thanh ổn định như đối với các hệ treo độc lập khác.Thanh ngang liên kết có độ cứng chống xoắn vừa nhỏ để tăng khả năng chống lật của xevừa có khả năng truyền lực ngang tốt Đòn dọc vừa là nơi tiếp nhận lực ngang, lực dọcvừa là bộ phận hướng nên nó cần thiết có độ cứng vững tốt còn khớp trụ ở đầu đòn dọcthường có độ dài vừa đủ để tăng khả năng ổn định

gang của hệ treo

Theo cấu trúc của nó có thể phân chia thành loại treo nửa độc lập và treo nửa phụthuộc Theo khả năng làm việc của hệ treo, tuỳ thuộc vào độ cứng vững của đòn liên kết

mà có thể xếp là loại phụ thuộc hay độc lập ở đây hệ treo được phân loại là treo độc lậptức là đòn liên kết có độ cứng nhỏ hơn nhiều so với độ cứng của dầm cầu phụ thuộc

Hệ treo đòn dọc có thanh liên kết hiện nay cũng dược dùng rộng rãi trên một số ôtô

có vận tốc cao vì nó có những ưu điểm sau:

-Kết cấu của hệ treo khá gọn, khối lượng nhỏ, có thể sản xuất hàng loạt và khả nănglắp rắp nhanh, chính xác, điều này có lợi cho việc làm giảm giá thành, đặc biệt đối với hệtreo có bộ phận đàn hồi là thanh xoắn

-Giảm nhẹ được lực tác dụng lên đòn ngang và các khớp quay do có thanh liên kết nên

có thể san bớt lực tác dụng ngang cho cả hai khớp trụ ở hai bên, do đó mỗi bên khớp trụ

sẽ chịu một lực nhỏ hơn, các khớp trụ sẽ có độ bền cao hơn

-Không gây nên sự thay đổi góc nghiêng ngang bánh xe, vết của bánh xe

-Tuỳ theo vị trí đặt đòn ngang mà người ta có thể không cần dùng đến thanh ổn địnhcủa hệ treo độc lập ( đòn ngang đảm nhận chức năng của thanh ổn định)

Bên cạnh những ưu điểm đó hệ treo này còn tồn tại một số nhược điểm như là đòihỏi công nghệ hàn cao, tải trọng đặt lên cầu xe hạn chế và có thể làm quay trục cầu xekhi xe đi trên đường vòng ở trạng thái quay vòng thừa

1.5.5 Hệ treo đòn chéo

Hệ thống treo trên đòn chéo là cấu trúc mang tính trung gian giữa hệ treo đòn ngang

và hệ treo đòn dọc.Bởi vậy sử dụng hệ treo này cho ta tận dụng được ưu điển của hai hệtreo trên và khắc phục được một số nhược điểm của chúng Đặc điểm của hệ treo này làđòn đỡ bánh xe quay trên đường trục chéo và tạo nên đòn chéo trên bánh xe

11

Hình 1.12 Sơ đồ hệ treo đòn chéo 1.Dầm cầu 2 Đòn chéo 3 Các đăng

Trong hệ treo đòn chéo (hình 1.15) chi tiết đàn hồi phần lớn là lò xo xoắn ốc Cácloại lò xo này có thể là dạng trụ hoặc dạng xếp Loại lò xo xếp có ưu điểm là gọn, hànhtrình làm việc lớn Loại lò xo hình trụ thường được lồng vào giảm chấn như đối với hệtreo đòn dọc để chúng chiếm ít không gian Ngoài ra đối với hệ treo này, người ta cònhay dùng thêm thanh ổn định để làm tăng sự êm dịu trong quá trình chuyển động

So với các hệ treo đã xét ở trên thì hệ treo đòn chéo có đặc điểm ở chỗ : khi bánh xedao động theo phương thẳng đứng thì cũng kéo theo sự thay đổi khoảng cách giữa hai vếtbánh xe, góc nghiêng ngang, nhưng sự thay đổi đó nhỏ hơncác loại đã xét ở trên Riêng

độ chạm trước cửa bánh xe thì thay đổi không đáng kể

Chương 2 KẾT CẤU CÁC CHI TIẾT HỆ THỐNG TREO2.1 Xác định các thông số cơ bản của xe Toyota Vios

Các thông số ban đầu của xe Toyota Vios

Nhóm các thông số tải trọng:

- Tải trọng toàn xe khi không tải G0 = 12800 N

- Tải trọng toàn xe khi đầy tải GT = 17300 N

- Tải trọng đặt lên cầu trước khi không tải G10 = 7000 N

- Tải trọng đặt lên cầu trước khi đầy tải G1T = 8500 N

- Tải trọng đặt lên cầu sau khi không tải G20 = 5800 N

- Tải trọng đặt lên cầu sau khi đầy tải G2T = 8800 N

- Chiều dài cơ sở : L = 2630 (mm)

- Chiều rộng cơ sở : B = 1480 (mm)

- DàiRộngCao : 449017101425

- Kích thước bánh xe : Kí hiệu lốp 185/65 R14 H

- Khoảng sáng gầm xe khi đầy tải : Hmin = 100 (mm)

- Khối lượng phần không treo : mkt = 11x2 = 22 Kg

2.2 Lựa chọn phương án thiết kế

Hiện nay trên thị trường trong nước và thế giới đang sử dụng nhiều loại HTT rất đadạng và phong phú , với đủ kiểu mẫu và chủng loại Nhưng đối với ôtô con hiện đại ngàynay người ta thường hay sử dụng các loại hệ thống treo độc lập như:

- HTT hai đòn ngang

- HTT Mc.Pherson

- HTT đòn dọc

- HTT đòn dọc có thanh liên kết

- Một số ít các ôtô khác có sử dụng HTT đòn chéo hoặc HTT nhiều khâu

Kết hợp với việc sử dụng HTT độc lập là sử dụng loại lốp có bề rộng lớn và có ápsuất thấp Điều này có lợi cho việc biến dạng lốp , và làm tăng độ êm dịu chuyển độngcủa ôtô Tăng khả năng bám đường của lốp và do đó nâng cao được tốc độ chuyển độngcủa ôtô, tăng khả năng ổn định khi quay vòng

Các HTT của ôtô con hiện nay thường dùng loại có cấu tạo đơn giản , giảm số chitiết , giảm trọng lượng HTT , giá thành hạ , dễ tháo lắp sửa chữa và bảo dưỡng

13

Ở đồ án này với một khoảng thời gian ngắn và trình độ hạn chế em chỉ đi sâu vàonghiên cứu và thiết kế HTT cho xe Toyota Vios với hệ thống treo trước là hệ thốngMc.Pherson

2.3 Cấu tạo các chi tiết của hệ thống treo độc lập Mc.Pherson

2.3.1 Kết cấu của hệ thống treo trước

1 Lò xo trụ 2 Đòn ngang chữ A.

3,4 Khớp trụ liên kết đòn ngang với khung

5 Khớp cầu 6 Giảm chấn

Hình 2.1 Hệ thống treo trước Mc.Pherson

Đặc điểm của hệ thống treo độc lập kiểu Mc.Pherson 1 đòn ngang

+ Cấu tạo tương đối đơn giản

+ Do có ít chi tiết nên nó nhẹ, giảm được khối lượng không được treo

+Chiếm ít không gian nên tăng không gian sử dụng của khoang động c

Hoạt động của hệ thống treo: Khi xe đi trên những đoạn đường xấu, chạy với vận tốc cao và khi xe quay vòng trong quá trình hoạt động phản lực từ mặt đường sẽ tác dụng trực tiếp lên bánh xe truyền đến hệ thống treo, lên vỏ xe và đến hành khách ngồi trên xe

Hệ thống treo có nhiệm vụ tạo cảm giác an toàn và thoải mái cho người lái và hành kháchtrên xe thông qua kết cấu của nó Lò xo trụ có tác dụng tạo cảm giác êm ái không bị xóc nhưng nó không tự giảm được chu kỳ dao động của chính nó sau mỗi va chạm vì vậy cần

có thêm bộ phận hấp thụ những dao đồng này đó chính là giảm chấn Giảm chấn có tác dụng hấp thụ toàn bộ năng lượng dao động từ mặt đường truyền lên nhờ kết cấu của các van thông qua cùng áp lực của chất lỏng, giảm chấn biến năng lượng dao động thành

nhiệt năng tỏa ra ngoài môi trường Đi cùng với hệ thống treo là các thanh cân bằng ngang và các tay đòn biên làm tăng tính ổn định, an toàn cho xe khi quay vòng

2.3.2 Kết cấu, nguyên lý làm việc của một số phần tử trên hệ thống treo

Ở hệ thống treo Mc Pherson này giảm chấn hoạt động như một thanh liên kết hệ thống treo, chịu các tải trọng thẳng đứng Tuy nhiên vì giảm chấn cũng chịu tải từ các bánh xe nên nó hơi cong 1 chút Nó gây ra lực ngang (A và B) tạo ra ma sát giữa piston

và bạc dẫn hướng, giữa piston và thành trong xi lanh sinh ra tiếng kêu không bình thườngtạo ra tiếng kêu không bình thường và ảnh hưởng xấu đến độ êm dịu Có thể hạn chế tối

đa hiện tượng này bằng cách đặt lệch lò xo với đường tâm giảm chấn để tạo ra lực a và b ngược chiều với A và B

15

Hình 2.3 Cách đặt lò xo giảm chấn 2.3.3 Giảm chấn

- Kết cấu

a) Cấu tạo chung; b) Hành trình trả; c) Hành trình nén

1 Pít tông cụm van 2 Đế lò xo 3 Xylanh công tác

4 Cần Pít tông 5 Lỗ van trả 6 Lỗ van nén.

Hình 2.4 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của giảm chấn

- Nguyên lý hoạt động của giảm chấn

- Nén nhẹ (bánh xe và thân xe tiến lại gần nhau) áp suất dầu trong buồng C tăng lên một chút sẽ có một phần dầu từ C đi qua những lỗ van không bị bịt kín ở hàng L để về buồng B Đồng thời cũng có một lượng dầu nhỏ qua van nén F về khoang D gọi là

khoang bù (lúc nén nhẹ van nén E chưa mở được vì không thắng được lực căng của lò xo) lượng dầu lưu thông ít dập tắt chậm những dao động nhỏ

- Trả nhẹ (bánh xe và thân xe tách xa nhau) áp suất trong buồng C giảm không nhiều nên chưa mở được van trả L chỉ có một lượng dầu nhỏ từ khoang B qua những lỗ nhỏ L không bị bịt kín, dầu từ khoang bù qua một phần van K về buồng C

- Nén mạnh (bánh xe và thân xe tiến vào nhau mạnh đột ngột) dầu ở khoang C áp suất tăng đột ngột mở toàn bộ hàng van E và qua một số lỗ nhỏ ở hàng L không bịt kín đểlên khoang B Đồng thời mở toàn bộ van F để sang khoang bù D Lượng dầu lưu thông nhiều dập tắt nhanh dao động

- Trả mạnh (bánh xe tách khỏi thân xe đột ngột) áp suất trong buồng C giảm nhiều, lúc đó dầu từ khoang B đẩy mở toàn bộ van trả L để về buồng C Dầu từ khoang bù D mởtoàn bộ van trả (hàng lỗ) K để về khoang C dầu lưu thông nhiều dập tắt nhanh dao động

17

Hình 2.5 Tay đòn dưới

Chương 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG TREO TRƯỚC

MC.PHERSON3.1 Xác định tần số dao động của hệ thống treo Mc.Pherson

Có rất nhiều các thông số đánh giá độ êm dịu của ôtô khi chuyển động như tần sốdao động , gia tốc dao động và vận tốc dao động

Trong đồ án này ta đánh giá độ êm dịu của ôtô thông qua tần số dao động của HTT.Đối với ôtô con tần số dao động n = 60  90 lần/ph để đảm bảo phù hợp với daođộng của con người

10

= 7.45 (rad/s)

- Khối lượng phần không treo : mkt = 22 kg

- Khối lượng phần treo ở trạng thái không tải : MT0 = m10 - mkt - mbx

 MT0 = 700 -22 - 16x2 = 646 Kg

m10 _ tải trọng đặt lên cầu trước khi không tải m10 = 700 Kg

- Khối lượng phần treo ở trạng thái đầy tải : MT1 = m1T - mkt - mbx

 MT1 = 850 - 22 - 16x2 = 796 Kg

m1T _ tải trọng đặt lên cầu trước khi đầy tải m1T = 850 Kg

Độ cứng của một bên hệ treo ở trạng thái không tải :

0 1

b Xác định hành trình tĩnh của bánh xe (Độ võng tĩnh của hệ treo).

- Độ võng tĩnh của hệ treo (khi đầy tải) :

81,9796

.2

.2

0

=

200082

81,9646

x

x

= 158 (mm)

19

Từ công thức : not =



ot.30

=



88.7

1

=

200082

81,9796

Từ công thức : n1t =



1t.30

=



09.7

30x

= 67.7 (l/ph) Qua kiểm nghiệm ta thấy ở cả hai chế độ không tải và đầy tải tần số dao động đềunằm trong khoảng 60  90 (l/ph) đảm bảo được yêu cầu đặt ra Do đó với bộ phận đànhồi có độ cứng CT = 20.008 (N/mm) thoả mãn được yêu cầu tính toán thiết kế

 Xác định hành trình tĩnh của bánh xe: hay chính là độ võng tĩnh của hệ treo

81.9

d Kiểm tra hành trình động của bánh xe

Theo điều kiện : fđ  H0 - Hmin

Trong đó :

- H0 : khoảng sáng gầm xe ở trạng thái chịu tải tĩnh

- Hmin : khoảng sáng gầm xe tối thiểu = 100 mm

 H0  fđ + Hmin = 144 + 100 = 244 mm

 H0  244 mm

 Đối với cầu trước cần kiểm tra hành trình động để không xẩy ra va đập cứng vào ụ tìtrước khi phanh :

Khi phanh dưới tác dụng của lực quán tính , trọng tâm của xe sẽ dịch chuyển và đầu xe sẽ

bị dìm xuống , lúc này fđ sẽ thay đổi

Từ công thức : fđ  ft max

b

h g

Trong đó :

- Hệ số bám max = 0.75

- Khoảng cách từ trọng tâm xe đến cầu sau b =L.55 =2630x55 =1.446m

- Chiều dài cơ sở xe L = 2630 mm

- Chiều cao cơ sở xe hg = 500 mm

M

f M

= 796

646

x180 = 146(mm)

e Xác định hệ số cản trung bình của giảm chấn : K TB

Hệ số dập tắt dao động của hệ treo :

D = 2 x  x  (rad/s)

Trong đó :

- : Hệ số cản tương đối  = 0,2 ( = 0.15 ữ 0.3)- = 7.45 (rad/s)

1

= 120.9 (Ns/m)

Số liệu cơ sở để tính toán

- Chiều rộng cơ sở của xe ở cầu trước BT = 1480 mm

- Bán kính bánh xe : Kí hiệu lốp 185/65 R14 H Rbx=298 mm

- Góc nghiêng ngang trụ xoay đứng(góc Kingpin): 0= 10o

- Sự thay đổi góc nghiêng ngang trụ đứng  = 2o

- Góc nghiêng ngang bánh xe(góc Camber): o=0o

- Độ võng tĩnh fT = 180 mm.

- Độ võng động fđ = 144 mm

- Độ võng của hệ treo ở trạng thái không tải f0T = 146 mm

- Chiều dài trụ đứng Kr = 150 mm

- Chiều cao tai xe lớn nhất Ht max = 800 mm

- Tâm quay tức thời của thùng xe nằm dưới mặt đường hs = 50 mm

3.2 Động học của hệ thống treo Mc.Pherson

3.2 1 Xác định độ dài càng chữ A và vị trí các khớp (phương pháp đồ thị)

Các bước cụ thể như sau : (Vẽ với tỉ lệ 1: 2 )

- Kẻ đường nằm ngang biểu diễn mặt phẳng đường : dd

- Vẽ đường trục đối xứng ngang của xe Aom: Aom vuông góc với dd

- Bo là điểm tiếp xúc của bánh xe với mặt đường

- Tại Bo dựng Boz vuông góc với dd

C1, C2 là tâm quay ngoài của hai đòn ngang ở vị trí không tải

Bằng cách tương tự ta sẽ tìm được vị trí khớp ngoài của đòn ngang ở vị trí đầy tảinhư sau : Khi hệ treo biến dạng lớn nhất , nếu coi thùng xe đứng yên thì bánh xe sẽ dịchchuyển tịnh tiến lên tới điểm B1

Hình 3.2: Đồ thị xác định chiều dài đòn ngang

Nếu coi khảng cách giữa hai vết bánh xe ở trạng thái này là không đổi so với trạngthái khi không tải

23

- Nếu kéo dài O1C1 và kẻ đường vuông góc với O2Co thì chúng gặp nhau tại P ( tâmquay tức thời của bánh xe ).

- Nối PBo và kéo dài cắt Aom tại S(S là tâm quay tức thời của cầu xe cũng như là thùng

xe trong mặt phẳng ngang cầu xe )

- Đo khoảng cách O1C1 rồi nhân tỉ lệ ta đựơc độ dài đòn chữ ‘A’ của hệ treo :

L d = 370 mm

Phương pháp tính chiều dài đòn ngang L d theo phương pháp giải tích

Xét trong hệ tọa độ Đề-Các (XOY), cho 2 điểm A và B đã biết:

A B B A B

A

B A

x x

y x y x X x x

y y

x x

A B

B

Y

H×nh 3.2

Trình tự xác định kích thước đòn ngang bằng phương pháp giải tích:

●1 Trước hết coi mặt phẳng [zB0d_d] như là hai trục tọa độ của hệ tọa độ

Đề-Các:

dd _ trục hoành B0z _ trục tung

B0 _ gốc tọa độ

●2 Xác định được tọa độ điểm B: B0B = rbx

đi qua điểm C0

●5 Xác định được tọa độ điểm O2: O2  C0n

k/cách từ O2 tới dd là:750(đơn vị)

●6 Xác định được phương trình đường thẳng BC2

BC2  B0z

 Xác định được tọa độ điểm C2, là giao điểm của hai đường thẳng

●10 Khi đó xây dung được phương trình đường thẳng D1O2

 Vì lúc này đã biết tọa độ của hai điểm D1 và O2

●11 Xác định được tọa độ điểm D2: D2  D1O2

D1D2 = C0C1 (tính được)

●12 Xác định được phương trình đường trung trực của đoạn thẳng C1D2

( gọi là đường thẳng: l) biết điểm C1

biết điểm D2

●13 Xác định được phương trình đường thẳng p: p // dd

đường thẳng p cách gốc tọa độ B0 một đoạn là: ( hg + fđ + ft - fot )

●14 Giao điểm của hai đường thẳng: l và p lúc này sẽ là:

l giao p tại điểm O1

 Xác định được tọa độ điểm O1 (**)

 Từ (*) và (**), tính ra được khoảng cách:

Ld = O1C1 = 370 (mm)

3.2.2 Đồ thị động học để kiểm tra động học hệ treo

Khi hệ treo biến dạng thì các góc nghiêng ngang trụ đứng, khoảng cách giữa hai vếtlốp sẽ thay đổi

Các điểm tiếp xúc của bánh xe với mặt đường là: 0, 1, 2, 3, 4

Các góc nghiêng ngang trụ đứng lần lượt là: 0, 1, 2, 3, 4

25

Hình 3.4 Đồ thị động học

3.2.3 Mối quan hệ hình học của hệ treo Mc.Pherson

Ta có sơ đồ hình học của hệ thống treo:

Hình 3.5.Mối quan hệ hình học giữa các góc đặt

Từ đồ thị động học đã xây dựng ở trên ta có độ dài các đoạn:

Lúc này góc giữa đòn ngang và phương ngang ban đầu sẽ là: α – ∆α

+ Khi đó ta có thể coi điểm C’ gần như thẳng đứng nằm trên phương CC2

Do đó:

27

+Ta xét mối quan hệ giữa α và δ:

Từ hình vẽ trên ta có độ dài của các đoạn:

OC1 = ld*sin α ; Và: OC2 = O2C1*tangδ = (OO2 + OC1)*tangδ ;

Mặt khác thì ta có:

OC2 = O1C2 - OO1 = ld*cos α - OO1 ;

Vậy ta suy ra:

OC2 = ld*cosα - OO1 = (OO2 + OC1)*tangδ ;

=> ld*cos α - OO1 = (OO2 + ld*sin α)tangδ ;

Suy ra:

tangδ = ld*cosα - OO1/(OO2 + ld*sinα) ;

cos

*2

1

d

d l OO

OO l

3.2.4 Đồ thị động học hệ treo Mc.Pherson

Bằng cách xây dựng đồ thị động học của hệ treo với các thông số đã tính toán ởphần trên ta xác định được sự thay đổi chiều rộng cơ sở B và góc nghiêng ngang của trụxoay đứng Kết quả đưa ra trên đồ thị quan hệ giữa chúng với sự biến dạng của hệ treonhư sau :

a Trường hợp lực kéo và lực phanh cực đại

Trên sơ đồ phân tích lực tồn tại lực Z,X nhưng tính với giá trị cực đại (vắng mặt lựcY)

Tính trong trường hợp chỉ chịu lực phanh cực đại:

= 5100 (N)

Trong đó:

Ztt - tải trọng thẳng đứng tính toán cho một bên bánh xe

mp - hệ số phân bố tải trọng khi phanh gấp, mp = 1.2

G1 - trọng lượng tĩnh đặt trên cầu trước (khi đầy tải)

*6.0

*5.0

*2

8.9

*6.0

*5.0

*2

c Trường hợp chịu tải trọng động

Trên sơ đồ chỉ có lực Z (vắng mặt X,Y)

chạy trên đường tốt

3.3.2 Xác định độ cứng và chuyển vị của phần tử đàn hồi

Các phần tử đàn hồi có thể ở dạng lò xo trụ,lò xo côn,thanh xoắn.Trong mục này chỉ

đề cập tới việc tính lực và chọn cách bố trí lò xo trụ

Các góc bố trí trong không gian có thể gặp là: góc nghiêng dọc ԑ và góc nghiêngngang δ.Các góc này được bố trí tùy thuộc vào không gian cho phép trên xe

a Độ cứng và chuyển vị của lò xo

l bx

lx l

lx



lx C

Kết cấu bố trí giảm chấn thường gặp như hình vẽ dưới đây

Trục của giảm chấn không trùng với đường tâm trụ đứng thường gặp trên xe có: ro

(bán kính quay bánh xe dẫn hướng)âm và góc nghiêng ngang trụ đứng δ khá lớn

C C

d 2 1 d

Hình 3.10

- Phản lực tại Z đặt tại bánh xe gây nên đối với trục đứng AB:

ZZAB ZY và mômen Mz(yoz)

- ZAB cân bằng với Zlx:

M Z

n m

r



cos

*

*

=

075.0462.0

10cos

*015.0

*4250

n r

)75298(

*738

r m

)298462(

*738

+ Khi góc δ bé có thể bỏ qua : cos δ = 1 và sin δ = 0

Như vậy tổng lực tác dụng lên đầu A và B là:

2

d d

d

 = 1161*

170110

170

 = 705 (N)

33

EY = CY*

2 1

1

d d

d

 = 1161*

170110

- Phân tích tác dụng của lực Z và các phản lực xác định như phần trên

- Phản lực X đặt tại bánh xe gây nên đối với trụ đứng AB như hình vẽ dưới

- Lực dọc X chuyển về tâm trục bánh xe được 2 thành phần Xo và MX:

n X



*

=

75462

75

*3820

 = 534 (N)

BX =

n m

m X



*

=

75462

462

*3820

 = 3286 (N)

- Mômen MX gây nên tại A và B:

AMX = BMX =

n m

M X

075.0462.0

= 0.375

+ AS = SY*

t s

t

 = 1410*

075.0462.0

075.0

 = 197 (N)

+ BS = SY*

t s

s

 = 1410*

075.0462.0

462.0

 = 1213 (N)

- Trong đó:

s,t - kích thước để lắp đòn ngang lái

Như vậy các lực tác dụng lên trụ đứng:

l d

 = 5406*

170110

2

d d

d

 = 2357*

170110

170

 = 1431 (N)

EY = CY*

2 1

1

d d

d

 = 2357*

170110

c Trường hợp chịu lực bên cực đại,chỉ có hai thành phần Z và Y

-Tác dụng của thành phần lực Z và các phản lực tương tự như ở phần trên.

-Tác dụng của thành phần lực ngang Y như hình vẽ dưới

-Lực ngang Y gây nên đối với trụ đứng AB các phản lực AY , BY:

BY =

n r

n r Y

)75298(

*21130

C C

d 2 1

d



o r

1

d d

d

 = 11471*

170110

2

d d

d

 = 11471*

170110

0

4185 4185

4185

11471 2357

1161

Cã lùc Z vµ Y

Cã lùc Z vµ X ChØ cã lùc Z

Đòn ngang dưới có cấu trúc hình chữ A được bắt vào thân xe qua 2 khớp trụ Đầungoài bắt với cam quay Rô-tuyn Việc sử dụng 2 đầu trong nối với thân xe bằng khớp bản

lề để tăng độ cứng vững cho hệ treo

Trạng thái chủ lực chủ yếu là kéo, nén, uốn, tiết diện của đòn ngang dưới , thamkhảo và khi kiểm bền giả thiết rằng : một phần càng chữ A chịu toàn bộ tải trọng Do vậy

có thể tính toán như sau :

-Fz đóng vai trò là lực cắt và gây uốn dọc trong mặt phẳng zoy

-Ứng suất tiếp lớn nhất được xác định theo công thức :

max =

S

Q Y

*2

Thay vào ta có : max = 3/2* 4185/2400 = 2.62(N/mm2)

Với vật liệu hợp kim nhôm AlZnMgCu1,2F50, ta có: b=510 Mpa

[] = b / 2n = 170( / )

5,12

mm N

Suy ra: max < []

với n = 1,5 : hệ số an toàn

Với đòn ngang dưới thoả mãn điều kiện bền về mặt cắt

+ Thành phần Fz gây ra mômen uốn dọc có giá trị lớn nhất tại điểm bắt của đòn ngangvào khung xe Do khớp nối là khớp trụ do đó tại tâm khớp mômen uốn sẽ bằng 0 Takiểm nghiệm tại mặt cắt sát gần đó (mặt cắt 1-1)

Ứng suất uốn lớn nhất được xác định theo công thức :