B. HỆTHỐNG TREO
3.5. Các bộ phận chính của hệthống treo
3.5.1. Bộ phận đàn hồi (lò xo).
a) Đặc tính của lò xo.
Tính đàn hồi.
- Nếu tác dụng một lực (tải trọng) lên một vật thể làm bằng vật liệu nhƣ cao su chẳng hạn, sẽ làm ra ứng lực (biến dạng) trong vật thể đó. Khi không tác dụng lực, vật thể đó trở về hình dạng ban đầu. Ta gọi đặc tính đó là đàn hồi.
Hình 3.10. Trạng thái dao động của khối lượng không dược treo
Các lò xo của xe sử dụng nguyên lý đàn hồi để giảm chấn động từ mặt đƣờng tác động lên thân xe và ngƣời ngồi trong xe. Các lò xo thép sử dụng tính đàn hồi uốn và xoắn.
a W
k Ở đây: W1 = ngoại lực ( tải trọng ), tính bằng N a = Khoảng co ( biến dạng ), tính bằng mm k = Độ cứng lò xo, tính bằng N/mômen k a W a W 3 3 2 2 a1 W1 ( hằng số ) Độ cứng lò xo.
Khoảng biến dạng của lò xo tùy thuộc vào lực (tải trọng) tác dụng lên nó. Trị số thu đƣợc bằng cách chia trị số lực (w) cho khoảng biến dạng (a) là một hằng số. Hằng số (k) này đƣợc gọi là độ cứng lò xo hoặc “hằng số lò xo” lò xo có độ cứng nhỏ đƣợc gọi là “mềm”, còn lò xo có độ cứng lớn thì
đƣợc gọi là “cứng”.
Sự dao động của lò xo.
Khi bánh xe vấp vào một cái mô cao, các lò xo của xe nhanh chóng bị nén lại. Vì mỗi lò xo đều có khuynh hƣớng giãn ngay trở về độ dài ban đầu của nó, để giải phóng năng lƣợng nén, lò xo có khuynh hƣớng giãn vƣợt quá chiều dài ban đầu. Quá trình này đƣợc gọi là dao động của lò xo, nó lặp lại nhiều lần cho đến khi lò xo trở về chiều dài ban đầu. Hình 3.11. Đặc tính đàn hồi và độ cứng của lò xo 1 1 2 1 Hình 3.12. Sự dao động của lò xo Dạng dao động Thời gian
b) Các loại lò xo.
Trong hệ thống tre`o ô tô thƣờng sử dụng các lò xo kim loại và phi kim loại
Nhíp.
Nhíp đƣợc làm bằng thép lò xo uốn cong, đƣợc gọi là “lá”, xếp chồng lên nhau theo thứ tự từ ngắn nhất đến dài nhất. Tập lá lò xo này đƣợc ép với nhau bằng một bulông hoặc tán rivê ở giữa, và để cho các lá không bị xô lệch, chúng đƣợc kẹp giữ ở một số vị trí. Hai đầu lá dài nhất (lá chính) đƣợc uốn cong thành vòng để lắp ghép với khung xe hoặc các kết cấu khác.
Nhíp càng dài thì càng mềm. Số lá nhíp càng nhiều thì nhíp càng chịu tải trọng lớn hơn, mặt khác, nhíp sẽ cứng hơn và ảnh hƣởng đến độ êm.
Bản thân nhíp đã có đủ độ cứng vững để giữ cho cầu xe ở đúng vị trí nên không cần sử dụng các liên kết khác. Nhíp thực hiện đƣợc chức năng tự khống chế dao động thông qua ma sát giữa các lá nhíp.
Nhíp có đủ sức bền để chịu tải trọng nặng. Vì có ma sát giữa các lá nhíp nên nhíp khó hấp thu các rung động nhỏ từ mặt đƣờng. Bởi vậy nhíp thƣờng đƣợc sử dụng cho các xe cỡ lớn, vận chuyển tải trọng nặng nên cần chú trọng đến độ bền hơn.
Độ uốn cong của lá nhíp đƣợc gọi là “độ võng”. Vì lá nhíp càng ngắn thì độ võng càng lớn nên lá nhíp dƣới cong hơn lá nhíp trên nó. Khi xiết chặt bulong ở giữa, các lá nhíp hơi duỗi thẳng ra làm cho các đầu lá nhíp ép lên nhau rất chặt. Độ cong tổng thể của
Hình 3.14. Cấu tạo nhíp lá Hình 3.13. Các loại lò xo trong hệ thống treo 1. Nhíp 2. Lò xo trụ 3. Lò xo thanh xoắn 4. Lò xo cao su 5. Lò xo không khí 1 2 3 4 5
nhíp đƣợc gọi là “độ vồng”. Tuy nhiên, ma sát giữa các lá nhíp cũng làm giảm độ êm, vì nó làm giảm tính uốn của nhíp.
Mục đích của độ võng.
Khi nhíp bị uốn, độ võng làm cho các lá nhíp cọ vào nhau, và ma sát xuất hiện giữa các lá nhíp sẽ nhanh chóng làm tắt dao động của nhíp. Ma sát này đƣợc gọi là ma sát giữa các lá nhíp, và đó là một trong những đặc tính quan trọng nhất của nhíp. Tuy nhiên, ma sát này cũng làm giảm độ chạy êm của xe, vì rằng nó làm cho nhíp kém tính uốn. Vì vậy, nhíp thƣờng đƣợc sử dụng cho các xe thƣơng mại.
Khi nhíp nẩy lên, độ võng giữ cho các lá nhíp khít với nhau, ngăn không cho đất, cát…lọt vào giữa các lá nhíp và gây mài mòn.
Biện pháp giảm ma sát giữa các lá nhíp.
Đặt các miếng đệm giảm thanh vào giữa các lá nhíp, ở phần đầu lá, để chúng dễ trƣợt lên nhau.
Mỗi lá nhíp cũng đƣợc làm vát hai đầu để chúng tạo ra một áp suất thích hợp khi tiếp xúc với nhau
Nhíp phụ.
Các xe tải và xe chịu tải trọng thay đổi mạnh cần dùng thêm nhíp phụ. Nhíp phụ đƣợc lắp trên nhíp chính. Với tải trọng nhỏ thì chỉ nhíp chính làm việc, nhƣng khi tải trọng vƣợt quá một giá trị nào đó thì cả hai nhíp chính và phụ đều làm việc.
Lò xo trụ.
Các lò xo đƣợc làm bằng thanh thép lò xo đặc biệt. Khi đặt tải trọng lên một lò xo, toàn bộ thanh thép bị xoắn khi lò xo co lại. Nhờ vậy năng lƣợng của ngoại lực đƣợc tích lại, và chấn động đƣợc giảm bớt.
Đặc tính.
Tỷ lệ hấp thu năng lƣợng tính cho một đơn vị khối lƣợng cao hơn so với loại lò xo lá (nhíp)
Vì không có ma sát giữa các lá nhƣ ở nhíp nên cũng không có khả năng tự khống chế dao động, vì vậy phải sử dụng thêm bộ giảm chấn.
Vì không chịu đƣợc lực theo phƣơng nằm ngang nên cần phải có các cơ cấu liên kết để đỡ trục bánh xe (đòn treo, thanh giằng ngang…)
Lò xo phi tuyến tính.
Nếu lò xo trụ đƣợc làm từ một thanh thép có đƣờng kính đồng đều thì toàn bộ lò xo sẽ co lại đồng
đều, tỷ lệ với tải trọng. Nghĩa là, nếu sử dụng lò xo mềm thì nó không chịu đƣợc tải trọng nặng, còn nếu sử dụng lò xo cứng thì xe chạy không êm với tải trọng nhỏ. Tuy nhiên, nếu sử dụng lò xo có đƣờng kính không đều, nhƣ (hình 3.16) thì đầu nhỏ của lò xo sẽ có độ cứng thấp hơn phần đầu to. Nhờ thế, khi có tải trọng nhỏ thì đầu nhỏ lò xo sẽ co lại và hấp thu chuyển động. Mặt khác, đầu to của lò xo lại đủ cứng để chịu đƣợc tải trọng nặng. Các lò xo có bƣớc không đều, lò xo làm từ thanh thép có đƣờng kính không đều …. Cũng có tác dụng nhƣ vậy.
Lò xo thanh xoắn.
Lò xo thanh xoắn (gọi tắt là thanh xoắn) là một thanh thép lò xo có tính đàn hồi xoắn. Một đầu của thanh xoắn đƣợc gắn cứng với khung hoặc các kết cấu khác của thân xe, còn đầu kia đƣợc gắn với bộ phận chịu tải trọng xoắn. Thanh xoắn cũng đƣợc sử dụng để làm thanh ổn định
Nhờ tỷ lệ hấp thu năng lƣợng trên
một đơn vị khối lƣợng lớn hơn so với Hình 3.17. Lò xo thanh xoắn Xoắn Xoắn ngƣợc a) Lò xo trụ b) Lò xo phi tuyến tính a b F F
Hình 3.16. Sơ đồ cấu tạo lò xo trụ và đặc tính của nó
Hình 3.18. Lò xo cao su
Đệm lò xo
Đệm cao su
Hình 3.19 Sơ đồ cấu tạo lò xo không khí
Buồng không khí
Màng cuộn
các loại lò xo khác nên hệ thống treo có thể nhẹ hơn, Kết cấu của hệ thống treo đơn giản
Cũng nhƣ lò xo cuộn, thanh xoắn không tự khống chế dao động, vì vậy phải sử dụng thêm bộ giảm chấn.
Lò xo cao su.
Các lò xo cao su hấp thu dao động thông qua nội ma sát phát sinh khi chúng bị một ngoại lực làm biến dạng.
- Có thể chế tạo theo hình dáng bất kỳ. - Chúng không phát tiếng ồn khi làm việc. - Chúng thích hợp để dùng cho tải trọng
nặng
Vì vậy các lò xo cao su chủ yếu sử dụng làm các lò xo phụ hoặc các bạc lót, đệm, cơ cấu chặn và các bộ phận hỗ trợ khác cho các chi tiết của hệ thống treo.
Lò xo không khí.
Lò xo không khí sử dụng đặc tính đàn hồi của không khí khi bị nén.
Những lò xo này rất mềm khi xe chƣa có tải, nhƣng hệ số lò xo có thể tăng lên khi tăng tải nhờ tăng áp suất trong xy lanh. Đặc tính này giúp cho xe chạy êm cả khi tải nhẹ cũng nhƣ khi đầy tải.
Chiều cao của xe có thể giữ không đổi ngay cả khi tải trọng thay đổi, bằng cách điều chỉnh áp suất không khí. Tuy nhiên, hệ thống treo dùng lò xo không khí cần phải có trang bị điều chỉnh áp suất không khí và máy nén khí…nên hệ thống treo sẽ rất phức tạp.
Hiện nay hệ thống treo khí điều biến điện tử cũng đƣợc sử dụng trong một số kiểu xe.
3.5.2. Bộ giảm chấn.
Giảm chấn đƣợc dùng trên xe với mục đích:
- Giảm và dập tắt các va đập truyền lên khung khi bánh xe lăn trên nền đƣờng không bằng phẳng, nhờ vậy mà bảo vệ đƣợc bộ phận đàn hồi và tăng tính tiện nghi cho ngƣời sử dụng.
- Đảm bảo dao động của phần đƣợc treo ở mức độ nhỏ nhất, nhằm làm tốt sự tiếp xúc của bánh xe trên nền đƣờng, nâng cao tính chất chuyển động của xe nhƣ khả năng tăng tốc, khả năng an toàn chuyển động.
- Bản chất của quá trình làm việc của giảm chấn là quá trình tiêu hao cơ năng (biến cơ năng thành nhiệt năng). Thực ra quá trình này xảy ra ngay cả với ma sát của nhíp lá, khớp trƣợt, khớp quay của các ổ kim loại, ổ cao su. Song quá trình dao động cơ học của xe đòi hỏi phải tiêu hao cơ năng nhanh và có thể khống chế đƣợc quá trình vật lý đó, cho nên các giảm chấn đặt trên các bánh xe sẽ thực hiện chức năng này là chủ yếu.
- Giảm chấn dùng cho xe có nhiều loại, đến nay chỉ sản xuất giảm chấn ống thủy lực có tác dụng hai chiều (nén và giãn).
Bộ giảm chấn đƣợc phân loại nhƣ sau:
- Phân loại theo vận hành: Kiểu tác dụng đơn, kiểu đa tác dụng. - Phân loại theo cấu tạo: Kiểu ống đơn, kiểu ống kép.
- Phân loại theo môi chất làm việc: Kiểu thủy lực, kiểu nạp khí. - Giảm chấn ống có một lớp vỏ và giảm chấn ống có hai lớp vỏ.
a) Giảm chấn ống có hai lớp vỏ
Cấu tạo.
Giảm chấn ống thủy lực bao gồm hai lớp vỏ: vỏ trong cùng và vỏ ngoài, có dạng hình ống trụ. Vỏ trong là một xi lanh lực có độ bóng cao để piston có thể di chuyển trong ống trụ. Ở đuôi của xylanh thủy lực có một cụm van bù. Bao ngoài vỏ trong là một lớp vỏ ngoài. Không gian giữa hai lớp vỏ là buồng bù thể tích chất lỏng. Vỏ ngoài ghép cứng với vỏ trong và có lỗ hoặc giá bắt với đòn treo bánh xe. Bên trong vỏ trong có một piston di động. Trên piston di động có các lỗ tiết lƣu chất lỏng và các van. Piston di chuyển thông qua trục của giảm chấn liên kết với thùng xe. Trục giảm chấn hàn liền với vỏ bọc ngoài của giảm chấn. Piston giảm chấn hoạt động trong chất lỏng (dầu giảm chấn) và chia phần xy lanh ra hai buồng. Ở phía nắp của giảm chấn có các vòng bao kín và ống dẫn hƣớng trục giảm chấn.
Trong kiểu buồng khí áp suất thấp, khí đƣợc nạp với áp suất thấp, khí đƣợc nạp với áp suất thấp (3- 6 kgf/cm2). Làm nhƣ thế để chống phát sinh tiếng ồn do hiện tƣợng tạo bọt và xâm thực, thƣờng xảy ra trong các bộ giảm chấn chỉ sử dụng chất lỏng. Giảm thiểu hiện tƣợng xâm thực và tạo bọt còn giúp tạo ra lực cản ổn định, nhờ thế mà tăng độ êm và vận hành ổn định của xe. Trong một số bộ giảm chấn kiểu nạp khí áp suất thấp, ngƣời ta sử dụng van đáy, và lực hoãn xung đƣợc tạo ra nhờ van pittông trong cả hai hành trình nén và giãn.
Nguyên lý hoạt động
Quá trình ép: Khi piston chuyển động xuống, áp suất trong buồng dƣới piston sẽ
tăng cao. Dầu sẽ đẩy mở van một chiều (của van piston) và chảy vào buồng trên piston mà không bị sức cản nào đáng kể (không phát sinh lực giảm chấn). Đồng thời một lƣợng dầu tƣơng đƣơng với thể tích choán chỗ của cần piston (khi nó đi vào trong xy lanh) sẽ bị ép qua van của van đáy và chảy vào buồng chứa. Đây là lúc lực giảm chấn đƣợc sức cản dòng chảy tạo ra. Tốc độ chuyển động của cần piston thấp. Nếu tác động của cần piston rất thấp thì van một chiều của van piston và van của van đáy sẽ không mở vì áp suấp trong buồng dƣới piston nhỏ. Tuy nhiên, vì có lỗ nhỏ trong piston và van đáy nên dầu vẫn chảy vào buồng trên piston và buồng chứa, vì vậy chỉ tạo ra một lực cản nhỏ.
Quá trình bật lại: Tốc độ chuyển động của cần piston cao. Khi piston chuyển động
lên, áp suất trên buồng trên pittông sẽ tăng cao. Dầu sẽ đẩy mở van (của van piston) và chảy vào buồng dƣới piston. Vào lúc này, sức cản của dòng chảy đóng vai trò lực giảm chấn. Vì cần piston chuyển động lên, một phần cần thoát ra khỏi xy lanh nên thể tích choán chỗ của nó giảm xuống. Để bù vào khoảng hụt này dầu từ buồng trên piston sẽ chảy qua van một chiều và vào buồng chứa mà không bị sức cản đáng kể. Tốc độ chuyển
Hình 3.20. Sơ đồ cấu tạo giảm chấn 2 ống
1. Bạc dẫn hướng trục 2. 2. Trục giảm chấn 3. Vỏ che ngoài 4. Phớt che lực và làm kín 5. Buồng dầu 6. 6. Vỏ ngoài 7. Vỏ trong 8. 8. Buồng bù 9. Piston và cụm van 10. Cụm van bù
động của cần piston thấp. Khi cần piston chuyển động với tốc độ thấp, cả van lá và van một chiều đều vẫn đóng vì áp suất trong buồng ở trên piston thấp. Vì vậy dầu trong buồng trên piston chảy qua các lỗ nhỏ trong van piston vào buồng dƣới piston. Dầu trong buồng chứa cũng chảy qua lỗ nhỏ trong van đáy vào buồng dƣới piston, vì vậy chỉ tạo ra một lực cản nhỏ.
b) Giảm chấn ống có một lớp vỏ.
Cấu tạo.
Tƣơng tự nhƣ giảm chấn hai lớp vỏ chỉ khác là giảm chấn một lớp vỏ là không có buồng bù giữa hai lớp vỏ.
- Toả nhiệt tốt vì ống đơn tiếp xúc trực tiếp với không khí.
- Một đầu ống đƣợc nạp khí áp suất cao, và hoàn toàn cách ly với chất lỏng nhờ có piston tự do. Kết cấu này đảm bảo trong quá trình vận hành sẽ không xuất hiện lỗ xâm thực và bọt khí, nhờ vậy mà có thể làm việc ổn định. - Giảm tiếng ồn rất nhiều.
Nguyên lý hoạt động.
Quá trình ép: Trong hành trình nén, cần piston
chuyển động xuống làm cho áp suất trong buồng dƣới cao hơn áp suất trong buồng trên. Vì vậy chất lỏng trong buồng dƣới bị ép lên buồng trên qua van piston. Lúc này lực giảm chấn đƣợc sinh ra do sức cản dòng chảy của van. Khí cao áp tạo ra một sức ép rất lớn lên chất lỏng trong buồng dƣới và buộc nó phải chảy nhanh và êm lên buồng trên trong hành trình nén. Điều này đảm bảo duy trì ổn định lực giảm chấn.
Quá trình bật lại: Trong hành trình giãn, cần piston chuyển động lên làm cho áp
suất trong buồng trên cao áp hơn áp suất trong buồng dƣới. Vì vậy chất lỏng trong buồng trên bị ép xuống buồng dƣới qua van piston, và sức cản dòng chảy của van có tác dụng nhƣ lực giảm chấn. Vì cần piston chuyển động lên, một phần cần dịch chuyển ra khỏi xy lanh nên thể tích choán chỗ trong chất lỏng của nó giảm xuống. Để bù cho khoảng hụt này, piston tự do đƣợc đẩy lên (nhờ có khí cao áp ở dƣới nó) một khoảng tƣơng đƣơng với phần hụt thể tích. 1. Piston và cụm van 2. Piston tự do 3. Buồng khí cao áp 1 2 3
Hình 3.21. Sơ đồ cấu tạo