Chương 2: Tính toán, thiết kế hệ thống lái cho ô tô con
2.4. Tính kiểm tra bền hệ thống lái
2.4.2. Vật liệu chế tạo bánh răng, thanh răng
Trong quá trình làm việc thanh răng và bánh răng chịu ứng suất uốn, ứng suất tiếp xúc và tải trọng va đập từ mặt đường. Vì vậy thường gây ra hiện tượng rạn nứt chân răng.
Do đó ảnh hưởng tới độ bền và độ tin cậy của cơ cấu lái. Để đảm bảo những yêu cầu làm việc của cơ cấu lái thì vật liệu chế tạo thanh răng - bánh răng thường là thép 40X tôi cải thiện.
Có: [σch]=550MPa .
HB =260 – 290.
*Ứng suất tiếp xúc cho phép:
+ giới hạn bền tiếp xúc của bánh răng:
σHLim=2.HB+70=2.260+70=590MPa . + ứng suất tiếp xúc cho phép của bánh răng:
[σH]=(σSHLim
H
). ZR. ZV. KF. KXH
(Tính toán, thiết kế hệ thống lái cho ô tô con.2 7) Trong đó:
+ SH: là hệ số an toàn, lấy SH= 1,1.
+ ZR.: hệ số xét ảnh hưởng của độ nhám, ZR= 0,95 + ZV: hệ số xét ảnh hưởng của vận tốc vòng, ZV= 1,1.
+ KXH: hệ số xét ảnh hưởng của kích thước bánh răng, KXH= 1.
+ KF: hệ số xét ảnh hưởng của độ bôi trơn, KF= 1.
Thay các thông số ta được:
[σH]=(5901,1).0,95.1,1=560,5MPa .
*Ứng suất uốn cho phép:
+ giới hạn bền uốn của bánh răng:
[σFLim]=σF0. KFL. KFC
(Tính toán, thiết kế hệ thống lái cho ô tô con.2 8) Chọn KFL= 1, với bộ truyền quay 2 chiều ta chọn KFC= 0,7với σF
0 = 360 Mpa.
⇒[σFLim]=1.0,7.360=327MPa .
+ ứng suất uốn cho phép:
thiết kế hệ thống lái cho ô tô con.2 9) Trong đó:
+ YR= 1, KXF= 1.
+ SF: là hệ số an toàn, lấy SF= 1,7.
+ YS: là hệ số xét tới ảnh hưởng của mô đun với m = 2,5.
Ta chọn YS=1,03.
⇒[σF]=327.1,03.1,7=198,48MPa . 2.4.3. Kiểm nghiệm độ bền
*Kiểm nghiệm răng về độ bền tiếp xúc:
theo công thức 6.33, trang 105, [4], ta có:
σH=ZM. ZH. Z∑
dω .√2.T . KHα. KbHγω.i.(cic+1). KHβ
(Tính toán, thiết kế hệ thống lái cho ô tô con.3 0) Trong đó:
+ ZM: là hệ số kể đến cơ tính vật liệu của các bánh răng ăn khớp, theo bảng 6.5,trang 96, [4]: với vật liệu bánh răng đều là thép ta có ZM= 175 Mpa1/3.
+ ZH: hệ số kể đến hình dạng bề mặt tiếp xúc
ZH=√sin2. cos(2.αβ)=√sin2. cos 17(2.20)=1,73.
+ Z∑ : hệ số kể đến sự trùng khớp của răng Z∑=√ε1α
- εα: là hệ số trùng khớp ngang.
εα=[1,88−3,2.(Z11+Z12) ].cosβ=[1,88−3,2(16+241 ) ].cos 17=1,16
⇒Z∑=√ε1α=√1,161 =0,928
+ dω: là đường kính thanh răng, dω= 24 mm.
+ ic: tỷ số truyền của cơ cấu lái ic = 16.
+ T: là mô men tác dụng từ trục răng T=Pv. R=4576.7,85=35921Nmm + KHγ=1+ γH. bω. dω
2.T . KHα. KHβ Với:
+ γH=1,1; bω=ϕd. dω=2,2.22=48.
+ KHα=1; KHβ=1,1.
→KHγ=1+ γH. bω. dω
2.T . KHα. KHβ=1+ 1,1.48 .22
2.35921.1.1,1=1,01 Thay các thông số vào công thức ta được:
σH=175.1,73.0,928
24 .√2.35921.1,02.(48.1616+1).1,1=494MPa
Vậy σH=¿494 <[σH]=560,5MPa
Do đó thỏa mãn điều kiện bền tiếp xúc.
*Kiểm nghiệm răng về độ bền uốn:
Ứng suất uốn được tính theo công thức:
σF1=2.T .YF.Yβ. KFα. KFβ. KFγ bω. dω. m
(Tính toán, thiết kế hệ thống lái cho ô tô con.3 1)
σF2=σF1.YF2 YF1
(Tính toán, thiết kế hệ thống lái cho ô tô con.3 2) Với Y Y là hệ số dạng răng.
Ztd1= Z1
cos3β= 6
cos317=6,68
Ztd2= Z2
cos3β= 22
cos317=25,16 Chọn Ztd1=7 ⇒YF1=3,2
Chọn Ztd2=25⇒YF2=3,3
KFβ=1,25tra theo bảng 6.7, trang 98, [4].
KFγ=1+ γF. bω. dω
2.T . KFα. KFβ=1+ 3,3.48 .22
2.35921.1,25=1,03 với γF=3,3 Yβ=1− β
14 0o=1− 17
140=0,9.
Thay các thông số đã có vào công thức ta được:
σF1=2.35921.3,2.1,25.1,03.0,9
48.24 .2,5 =92,5MPa
σF2=92,5.3,3
3,2=95MPa⇒σF1<σF2<[σF]=198 MPa
Vậy điều kiện được thỏa mãn, bộ truyền bánh răng – thanh răng đảm bảo đủ bền trong quá trình làm việc.
2.4.4. Tính trục lái
Trục lái làm bằng thép rỗng được tính theo ứng suất xoắn do lực tác dụng trên vành tay lái:
τ= Plmax. R . D
0,2.(D4−d4) (MN/m2)
(Tính toán, thiết kế hệ thống lái cho ô tô con.3 3) Trong đó:
Plmax- lực lái lớn nhất tác dụng lên vô lăng Plmax = 286 N.
D, d - đường kính trong và đường kính ngoài của trục lái.
R: bán kính vành tay lái R = 180 mm.
Chọn vật liệu chế tạo trục lái là thép C40 không nhiệt luyện, phôi chế tạo là phôi thép ống, ứng suất tiếp xúc cho phép [τ]=50÷80MN/m2.
Chọn sơ bộ kích thước của trục lái là:
D = 30 (mm), d = 20 (mm) Thay những thông số trên vào công thức ta được:
τ= 286.0,18.3 .1 0−8
0,2.(3 04−2 04).1 0−12=11,88 (MN/m2)
→ τ ≤[τ] thoả mãn điều kiện cho phép.
Vậy ta chọn kích thước sơ bộ là kích thước thiết kế.
Với trục lái xe thiết kế, dựa trên số liệu thực tế ta chọn chiều dài của trục lái L
=1000 (mm).
Ta cần tính toán trục lái theo độ cứng vững (góc xoắn trục) theo công thức sau:
θ=2.τ . L
D .G (rad)
(Tính toán, thiết kế hệ thống lái cho ô tô con.3 4) Trong đó:
L - chiều dài của trục lái (m).
G - mô đun đàn hồi dịch chuyển (G =8.104MN/m2).
θmax đổi ra không được vượt quá(5,50÷7,50)/1m. Thay số vào ta được: θ= 2.11,88.1
0,03.8 .1 04=0,009 (rad) Suy ra: θ=0,01.18 00
3,14 =0,570/m Thoả mãn tiêu chuẩn thiết kế.
Vậy ta chọn trục lái rỗng, có chiều dài là: 1(m).
2.4.5. Tính bền đòn kéo ngang
Trong quá trình làm việc, đòn kéo ngang chỉ chịu kéo nén theo phương dọc trục. Do vậy khi tính bền ta chỉ cần tính kéo, nén và lực tác dụng từ bánh xe. Tính bền đòn kéo ngang theo chế độ phanh cực đại.
Ppmax=G1. M1p. φ (Tính
toán,
thống lái cho ô tô con.3 5) Trong đó:
G1= 11000N: tải trọng đặt lên cầu trước dẫn hướng trong trạng thái tĩnh.
M1p = 1,4: hệ số phân bố lại trọng lượng lên cầu trước khi phanh.
φ=0,85: hệ số bám giữa lốp và mặt đường.
Thay vào biểu thức ta được: Ppmax= 11000.1,4.0,85 = 13090 (N)
Qua sơ đồ phân tích lực ta có:
Q=Ppmax AB
(Tính toán, thiết kế hệ thống lái cho ô tô con.3 6) Trong đó:
AB, c: là các kích thước trên hình vẽ.
AB = 180 mm; c=B−B0
2 =1847−1590
2 =128,5(mm)
Vậy Q=13090.128,5
180 =9345N Ta lại có:
B0−X
−m .cosθ 1490−8 49−180.cos 7 5
⇒γ=arccos 0,999=2,6o
⇒Q1=Q .cos(γ+12)=9345. cos(2,6+12)=9324(N) Q2=Q .cosγ=9345. cos 2,6=9335(N).
Ứng suất nén dọc của thanh ngang liên kết được xác định theo công thức:
σn= P Ft Trong đó:
P = Q1= 9324 (N): lực tác dụng theo phương của đòn ngang.
Diện tích của thanh ngang Ft=π .(D2−d2)
4 =3,14.(2 02−52)
4 =294,38(m m2)
Đòn kéo ngang được chế tạo bằng thép ống 40X, có đường kính ngoài và trong lần lượt là: D = 20mm; d = 5mm.
σb=85(MN/m2)
Với hệ số dự trữ bền ổn định n = 1,5 ta có [σb]=σnb=185,5=56,67(MN/m2)
Thay số vào ta được: σn= 9324
294,38=31,67(N/m m2)=31,67(MN/m2) Ta có σn<[σb].
Vậy đòn kéo ngang đảm bảo độ bền và ổn định.