Thiết kế hệ thống treo cho ôtô chở khách loại nhỏ

CHƯƠNG I ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 Khái quát chung về đề tài thiết kế. Hệ thống treo là một tổ hợp các cơ cấu thực hiện liên kết các bánh xe với khung xe (hoặc vỏ xe) để đảm bảo độ êm dịu chuyển động và an toàn chuyển động trên cơ sở tạo các dao động của thân xe và của các bánh xe theo ý muốn và giảm các tải trọng va đập cho xe khi chuyển động trên địa hình không bằng phẳng. Ngoài ra hệ thống treo còn dùng để truyền các lực và mômen tác động giữa bánh xe và khung xe (vỏ xe). Mặc dù có rất nhiều chi tiết nhưng cấu tạo chung của hệ thống treo được quy thành 3 phần tử chính với các chức năng riêng biệt: - Phần tử đàn hồi: dùng để tiếp nhận và truyền lên khung xe các lực thẳng đứng từ đường, giảm tải trọng động và bảo đảm độ êm dịu chuyển động cho ôtô khi chuyển động trên các loại đường khác nhau. - Phần tử giảm chấn: Năng lượng dao động của thân xe và của bánh xe được hấp thụ bởi các giảm chấn trên cơ sở biến cơ năng thành nhiệt năng. - Phần tử hướng: dùng để truyền các lực ngang, lực dọc và mômen từ mặt đường lên khung xe (vỏ xe). Động học của phần tử hướng xác định đặc tính dịch chuyển của bánh xe đối với khung xe và ảnh hưởng tới tính ổn định và tính quay vòng của ôtô. Hệ thống treo độc lập: Dầm cầu rời hai nửa,từng bánh xe dao động độc lập, không ảnh hưởng đến nhau. Hình 1.1 Bố trí chung của một hệ thống treo cơ bản 1.1.1 Hệ thống treo bị động Hệ thống treo bị động là một hệ thống mà các đặc tính của các thành phần (nhíp và giảm chấn) là cố định. Các đặc tính này được xác định bởi các nhà thiết kế hệ thống treo, theo mục đích thiết kế và ứng dụng mong muốn. Thiết kế hệ thống treo bị động là sự tối ưu hoá giữa độ ổn định và êm dịu chuyển động. Một hệ thống treo với cản lớn (gồm của cả phần tử giảm chấn, phần tử đàn hồi và lốp xe,... ) sẽ đem lại tính ổn định tốt nhưng cũng truyền mạnh các đầu vào từ đường lên thân xe. Khi xe chuyển động với tốc độ thấp trên đường nhấp nhô hoặc với tốc độ cao trên đường phẳng nó sẽ nhận được chuyển động xấu. Người lái và hành khách có thể cảm thấy khó chịu hoặc gây hư hỏng hàng hoá. Một hệ thống treo với cản nhỏ sẽ mang lại độ êm dịu chuyển động tốt hơn nhưng lại làm giảm đáng kể sự ổn định khi quay vòng hoặc khi vượt dốc.... Một hệ thống treo thụ động được thiết kế tốt có thể mở rộng phần nào khả năng chuyển động và ổn định, nhưng không thể loại trừ được sự mâu thuẫn này. Vì những lý do đó mà ngày nay trên các ôtô hiện đại người ta thiết kế các hệ thống treo khác nhau như được trình bày trong các mục dưới đây. 1.1.2 Hệ thống treo tích cực Trong hệ thống treo tích cực, cả giảm chấn và nhíp bị động được thay thế bằng một bộ kích thích lực. Bộ kích thích lực có thể cung cấp thêm hoặc tiêu tán bớt năng lượng cho hệ thống (không giống với giảm chấn bị động chỉ có thể tiêu tán năng lượng). Với một hệ thống treo tích cực, bộ kích thích lực có thể tác dụng lực mà không phụ thuộc vào dịch chuyển hoặc vận tốc của khối lượng treo và không treo. Nhờ vào bộ điều khiển chính xác, các kết quả tối ưu giữa độ êm dịu chuyển động và độ ổn định thân xe tốt hơn đối với hệ thống treo bị động. 1.1.3 Hệ thống treo điều chỉnh Một hệ thống treo điều chỉnh được tổ hợp từ phần tử đàn hồi trong hệ thống treo bị động và phần tử giảm chấn với đặc điểm là có thể điều chỉnh được bởi người lái. Lái xe có thể dùng thiết bị chọn để đặt mức độ cản dựa trên cảm giác chủ quan của họ. Hệ thống này có ưu điểm là nó cho phép người lái điều chỉnh sức cản theo tính chất đường. Tuy nhiên, người lái lại không thể điều chỉnh hệ thống treo để chống lại các đầu vào như ổ gà, khi quay vòng hoặc các loại đầu vào đường khác nói chung. 1.1.4 Các hệ thống treo bán tích cực Các hệ thống treo bán tích cực được đề cập lần đầu tiên vào đầu những năm 70. Trong loại hệ thống này, phần tử đàn hồi truyền thống được giữ lại, nhưng phần tử giảm chấn được thay thế bằng giảm chấn điều khiển. Trong khi hệ thống treo tích cực yêu cầu một nguồn năng lượng ngoài nhằm cung cấp các kích thích để điều khiển xe, thì hệ thống treo bán tích cực chỉ dùng năng lượng ngoài để điều chỉnh các mức độ cản, và làm cho bộ điều khiển ghi cùng các cảm biến làm việc. Bộ điều khiển xác định mức độ cản và tự động điều chỉnh để thu được cản đó (cản thích hợp). Một trong những cách thức điều khiển bán tích cực chung nhất là điều khiển kiểu móc treo. Về mặt toán học, điều khiển móc treo được biểu diễn như sau: Nếu ³ 0 thì C = cản cao; còn nếu:< 0 thì C = cản thấp Trong các bất phương trình trên, là vận tốc của khối lượng treo còn là vận tốc của khối lượng không treo. Loại điều khiển móc treo này gọi là điều khiển on-off vì giảm chấn chuyển về một trong hai trạng thái cản mà nó có thể có. Khi khối lượng treo chuyển động đi lên và khối lượng treo với không treo lại tiến đến gần nhau thì hệ số cản lý tưởng phải bằng không. Do các giới hạn vật lý của giảm chấn thực, hệ số cản bằng không là không thực hiện được nên người ta dùng hệ số cản rất thấp. Khi khối lượng treo chuyển động xuống dưới còn hai khối lượng tiến lại gần nhau, cách hoạt động của điều khiển móc treo là cần phải sinh ra một hệ số cản lớn vô cùng. Một hệ số cản lớn vô cùng thì không thể đạt tới được, do đó trong thực tế hệ số cản điều chỉnh được đặt ở mức cao nhất. Tác dụng của sơ đồ điều khiển móc treo là để giảm đến mức thấp nhất vận tốc tuyệt đối của khối lượng treo. Cũng có thể điều khiển nhờ loại giảm chấn không chỉ chuyển giữa trạng thái cao và thấp mà còn có vô số điểm nằm giữa hai mức đó. Loại hệ thống này được gọi là hệ thống bán tích cực thay đổi liên tục. Trong trường hợp giảm chấn điều khiển trong hệ thống treo bán tích cực bị hỏng thì nó sẽ trở về giảm chấn thường một cách dễ dàng. Các hệ thống treo bán tích cực không chỉ có ít dạng hư hỏng nguy hiểm mà còn ít phức tạp, ít xẩy ra các hư hỏng cơ khí và yêu cầu năng lượng nhỏ hơn nhiều so với các hệ thống treo tích cực. Vì vậy, loại hệ thống treo này sẽ là xu hướng phát triển tất yếu trong tương lai. Ưu điểm ; có kết cấu đơn giản dễ chế tạo và có độ tin cậy làm việc cao,dễ sửa chữa hoặc thay thế Nhược điểm;hành trình dịch chuyển của bánh xe lớn thì mặt phẳng bánh xe bị nghiêng một góc lớn gây hiệu ứng con quay làm dao động bánh xe, đồng thời bánh xe bi trượt ngang lớn dẫn đến lốp bị mòn nhanh . 1.1.5 Nguyên tắc và vai trò hệ thống treo trên ô tô. + Công dụng Hệ thống treo là tổ hợp các cơ cấu thực hiện liên kết các bánh xe với khung xe (hoặc vỏ xe) để đảm bảo độ im dịu chuyển động và an toàn chuyển động trên cơ sở tạo các dao động của thân xe và của các bánh xe tuỳ theo ý muốn và giảm các tải trọng va đập cho xe khi chuyển động trên dịa hình không bằng phẳng. Ngoài ra hệ thống treo còn dùng để truyền các lực và mô men tác động giữa bánh xe và khung xe (vỏ xe). + yêu cầu Đảm bảo cho ô tô có tính năng êm dịu tốt khi chạy trên đường cứng và bằng phẳng. Đảm bảo cho ô tô chạy với tốc độ giới hạn khi xe chạy trên đường mà không có va đập lên ụ đỡ. Đảm bảo động học đúng cách của bánh xe dẫn hướng khi chúng dao động trong mặt phẳng thẳng đứng. Dập tắt nhanh dao động của thùng xe và vỏ xe. Giảm độ nghiêng bên của thùng xe khi quay vòng. 1.2 Phân loại hệ thống treo 1.2.1 Theo cấu tạo của phần tử hướng Có các loại như sau: - Hệ thống treo phụ thuộc là hệ thống treo mà bánh xe bên trái và bên phải được liên kết cứng với nhau bằng dầm cầu liền hoặc vỏ cầu cứng. Khi đó dao động hoặc chuyển dịch (trong mặt phẳng ngang hoặc thẳng đứng) của bánh xe bên này làm ảnh hưởng, tác động đến bánh xe bên kia và ngược lại. Hệ thống treo phụ thuộc được sử dụng ở rất nhiều xe như: GAZ-53, GAZ-66, ZIL-131, KRAZ; KAMAZ,... - Hệ thống treo độc lập là hệ thống treo mà bánh xe bên trái và bánh xe bên phải không có liên kết cứng, mà chúng chỉ được nối gián tiếp với nhau qua khung xe hoặc vỏ xe...Chính vì vậy mà dao động hay chuyển dịch của các bánh xe là độc lập nhau. Loại hệ thống treo này được sử dụng hầu hết trên các xe du lịch. - Hệ thống treo cân bằng: hai bánh xe cùng một phía của hai cầu xe liền nhau có chung phần tử đàn hồi được bố trí xung quanh trục cân bằng. - Hệ thống treo cân bằng thường gặp ở những xe nhiều cầu có tính năng thông qua cao. Những xe đó có ba hoặc bốn cầu trong đó bố trí hai cầu liền nhau. Hệ thống treo của những cầu này thường là hệ thống treo cân bằng phụ thuộc. Ví dụ như cầu thứ hai và thứ ba của ôtô ZIL-131; URAL-4320; KRAZ-255B,... 1.2.2 Theo cấu tạo của phần tử đàn hồi. Có các loại như sau: - Phần tử đàn hồi là kim loại gồm: nhíp lá, lò xo, thanh xoắn. Đây là loại phổ biến nhất ở các ôtô quân sự và xe bọc thép bánh hơi. - Phần tử đàn hồi là khí nén gồm: phần tử đàn hồi là khí nén có bình chứa là cao su kết hợp sợi vải bọc cao su làm cốt, dạng màng phân chia và dạng liên hợp. - Phần tử đàn hồi là thuỷ khí có loại kháng áp và loại không kháng áp. - Phần tử đàn hồi là cao su có loại làm việc ở chế độ nén và làm việc ở chế độ xoắn. 1.2.3 Theo phương pháp dập tắt dao động. Gồm có: - Dập tắt dao động nhờ các giảm chấn (mà chủ yếu là các giảm chấn thuỷ lực dạng đòn và dạng ống). - Dập tắt dao động nhờ ma sát giữa các chi tiết của phần tử đàn hồi và trong phần tử hướng. Hệ thống treo này sẽ không được trang bị giảm chấn nên hiệu quả dập tắt dao động sẽ kém hơn so với trường hợp có giảm chấn. 1.3 Yêu cầu - Có tần số dao động riêng thích hợp với từng loại ôtô để đảm bảo độ êm dịu cần thiết. - Có độ võng động đủ để không sinh ra va đập lên các ụ đỡ; - Có hệ số cản thích hợp để dập tắt dao động giữa vỏ xe v_ cầu xe; - Khi quay vòng hoặc khi phanh thì vỏ ôtô không bị nghiêng quá giới hạn cho phép - Đảm bảo sự tương ứng giữa động học của các bánh xe với động học của dẫn động lái. 1.4 Hệ thống treo sau của xe Matiz. Treo sau của xe Matiz là kiểu treo phụ thuộc lò xo trụ, với các đòn treo dọc xe. Kiểu này được sử dụng chủ yếu ở hệ thống treo sau của xe có động cơ đặt trước, cầu trước chủ động, và được dùng chủ yếu trên các xe du lịch nhỏ. Để tăng tính ổn định trong hệ thống treo sau, tránh lắc ngang hệ thống được tranh bị thêm tay đòn ngang. Hình 1.2: Hệ thống treo sau xe Matiz 1-Bộ giảm chấn; 2-Hãm giảm chấn; 3-Giá đỡ lò xo trên; 4-lò xo; 5-Vòng đệm; 6-Ống lót; 7-Tay đòn ngang ; 8 –Dầm cầu sau ; 9-Vòng bít dầu; 10-Ổ bi trong; 11-vòng đo tốc độ của ABS; 12-Ổ bi ngoài; 13- Chốt hãm; 14-Đai ốc hoa; 15-Nắp chặn; 16-Đòn treo dọc Đặc điểm của hệ thống treo sau kiểu đòn kéo với dầm xoắn trêm xe Matiz : Vì sự định vị của cầu xe được thực hiện nhờ các thanh liên kết nên hệ thống sử dụng lò xo mềm điều này giúp tăng độ êm dịu chuyển động cho xe. Do các bố trí hình học của các thanh nối, nên ngăn được chúi mũi xe khi phanh và xệ phần sau khi xe tăng tốc. Có cấu tạo đơn giản và kích thước tương đối nhỏ gọn, khối lượng không được treo nhỏ nên tạo tính êm dịu chuyển động tốt hơn. Mặt khác nó cũng cho phép tạo ra không gian bên trong xe rộng hơn. Việc sử dụng lò xo làm giảm đến mức tối thiểu ma sát trong hệ thống treo, những va đập nhỏ từ mặt đường có thể được hấp thụ, giúp cải thiện độ êm dịu chuyển động của xe. 1.4.1 Đặc điểm kết cấu của một số chi tiết thuộc hệ thống treo của xe Matiz a. Giảm chấn Khi xe chịu va đập từ mặt đường, các lò xo bị nén và giãn để hấp thụ những va đập đó. Tuy nhiên vì lò xo có đặc điểm dao động liên tục, và vì dao động của nó chỉ tắt hẳn sau 1 thời gian dài, điều này là không mong muốn vì nó làm giảm độ êm dịu chuyển động của xe. Muốn xe chuyển động êm dịu thì dao động của xe cần được nhanh chóng dập tắt. Giảm chấn trên xe có chức năng dập tắt nhanh chóng dao động của xe đồng thời còn giúp các lốp xe bám đường tốt hơn và cải thiện tính ổn định lái. Phần tử giảm chấn dùng để dập tắt dao động tần số thấp bằng cách biến năng lượng dao động của thân xe và của bánh xe được hấp thụ bởi các giảm chấn trên cơ sở biến cơ năng thành nhiệt năng. Trên cả hai hệ thống treo trước và treo sau của xe Matiz đều dùng là loại giảm chấn thủy lực kiểu ống đơn, tác dụng hai chiều. Nguyên lý làm việc : Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý làm việc của giảm chấn trên xe Matiz Khi nén : Trong kỳ nén, cần pittông đi xuống, làm áp suất dầu trong buồng cao hơn buồng trên. Vì vậy dầu trong buồng dưới bị đẩy lên buồng trên qua van piston. Lúc này lực cản được sinh ra bởi sự cản dòng chảy của van. Khí áp suất cao cũng gây ra áp suất cao trong dầu ở buồng dưới, đẩy nó lên buồng trên một cách nhanh chóng và êm dịu trong kỳ nén. Điều này đảm bảo lực cản ổn định Khi trả : Trong quá trình trả cần piston di chuyển lên trên, làm cho áp suất dầu ở trên cao hơn buồng dưới. Vì vậy dầu ở buồng trên bị đẩy xuống buồng dưới qua van piston và sự cản sinh ra bởi van đóng vai trò như một lực cản. Do cần chuyển động lên phía trên một phần cần đi ra khỏi xi lanh nên thể tích dầu bị nó chiếm chỗ giảm xuống. Để bù lại piston tự do được đẩy lên phía trên (bởi khí cao áp bên dưới nó) một đoạn tương đương với thể tích bị thiếu hụt này. b. Lò xo. Lò xo là phần tử đàn hồi có chức năng biến dao động tần số cao thành dao động tần số thấp, dùng để tiếp nhận và truyền lên khung xe các lực thẳng đứng từ đường, giảm tải trọng động và bảo đảm độ êm dịu chuyển động cho ôtô khi chuyển động trên các loại đường khác nhau. Khi bánh xe đi qua mấp mô, lò xo của hệ thống treo bị nén lại rất nhanh. Do lò xo có xu hướng ngay lập tức trở về chiều dài có tải ban đầu của nó nên nó sẽ giãn ra, nâng thân ôtô lên phía trên. Tuy nhiên, do lò xo tích luỹ năng lượng trong quá trình nén nên nó phải giqn ra vượt quá chiều dài bình thường của nó để giải phóng năng lượng. Chuyển động lên phía trên của thân ôtô cũng giúp lò xo vượt quá chiều dài ban đầu của nó. Khi thân ôtô dịch chuyển xuống nó ấn lò xo nén lại quá chiều cao chịu tải bình thuờng, vì vậy lò xo tác dụng trở lại bằng cách đẩy thân ôtô lên phía trên. Quá trình này lặp đi lặp lại và được gọi là sự dao động của lò xo. Biên độ của mỗi lần dao động đều nhỏ hơn lần trước, cuối cùng dập tắt hẳn dao động lên xuống của ôtô (hình 2.5) Hình 1.4: Quá trình dao động của lo xo trên xe Lò xo được sử dụng trên xe Matiz là loại lò trụ có chiều dài không tải là 372mm, và có bước xoắn là 10mm. Đây là loại lò xo được dùng phổ biến trên các xe sử dụng hệ thống treo độc lập. Hình 1.5 : Lò xo sử dụng trên xe Matiz Nếu đem so sánh lò xo với nhíp thì lò xo có các ưu và nhược điểm sau: Mức độ hấp thụ năng lượng trên một đơn vị khối lượng là lớn nếu so sánh với nhíp Do không có nội ma sát như nhíp nên lò xo không thể tự kiểm soát sự dao động của bản thân, nên cần phải sử dụng giảm chấn cùng lò xo. Do không có lực cản ngang nên cần các thanh liên kết để đỡ cầu xe (đòn treo, thanh ngang...) c. Vấu cao su. Để làm tăng khả năng hấp thu lực từ mặt đường lên xe, các chi tiết vấu cao su được sử dụng nhiều trên hệ thống treo của xe Matiz. Vấu cao su hấp thụ năng lượng dao động nhờ sinh ra nội ma sát khi nó bị biến dạng dưới tác dụng của ngoại lực. Các vấu cao su xuất hiện nhiều tại các vị trí như là đầu trên của giảm chấn, trên các vị trí liên kết giữa thanh giằng ổn định và đòn treo dưới, khớp bản lề đầu trong của đòn treo dưới với khung xe... 1.6. Xác định thông số vào. Stt Thông số Đơn vị Trị số 1 Công thức bánh xe 2x4 2 Trọng lượng ôtô khi không tải Kg 806 3 Trọng lượng toàn bộ Kg 1210 4 Trọng lượng phần khụng treo Kg 432 5 Trọng lượng phần treo(khi ôtô đầy tải) -Phân bố lên cầu trước -Phân bố lên cầu sau Kg Kg Kg 1210 574 636 6 Chiều dài cơ sở của xe m 2,340 7 Khoảng sáng gầm xe m 0,140 8 Kích thước của lốp xe 175/60R13