TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN HỆ THỐNG TREO CẦU TRƯỚC ỨNG DỤNG CHO XE TẢI NHỎ SVTH TRẦN MINH PHÁT MSSV 14145391 SVTH NGUYỄN LÊ TẤN HẢI MSSV 14145390 Khoá 2014 2018 Ngành CÔNG NGHỆ KĨ THUẬT Ô TÔ GVHD TS LÂM MAI LONG Tp Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2018 Tp Hồ Chí Minh, tháng 1 năm 2016 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN HỆ.
TỔNG QUAN
Đặt vấn đề
Để hiểu rõ cách thực hiện nghiên cứu, trước tiên chúng ta cần tìm hiểu về nhiệm vụ và yêu cầu của hệ thống treo và lái Điều này giúp xác định các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hệ thống lái, từ đó làm nền tảng cho việc đánh giá và cải thiện hiệu suất.
1.1.1 Nhiệm vụ của giá treo và hệ thống lái
Bánh xe ô tô cần được kết nối với thùng xe một cách đàn hồi, gần như vuông góc với mặt đường, nhằm tối ưu hóa sự di chuyển của bánh xe và thùng xe Điều này giúp cân bằng các lực thẳng đứng giữa bánh xe và mặt đường, đồng thời cải thiện tính êm ái khi di chuyển trên bề mặt không bằng phẳng Ngược lại, trong các hướng khác, sự di chuyển của bánh xe phải cứng để ngăn chặn các hiện tượng như quay vòng, nghiêng, và dịch chuyển do các lực từ mặt đường như lực kéo, lực phanh và lực lái Để đáp ứng các yêu cầu này, bánh xe được kết nối với thùng xe thông qua một cơ cấu gọi là giá treo trong hệ thống treo.
Khi lái xe, để thay đổi hướng chuyển động theo ý muốn, các bánh xe phải quay xung quanh thùng xe theo một trục gần như vuông góc với mặt đường Chuyển động này được thực hiện thông qua hệ thống lái của ô tô, thường là nhờ việc quay vô lăng.
Cơ cấu giá treo và điều khiển lái có mối quan hệ chặt chẽ từ góc độ tĩnh học, động học và động lực học Trong hệ thống treo độc lập, việc tích hợp hệ thống treo và lái là cần thiết để đạt được sự phù hợp về mặt động học, do đó cần nghiên cứu song song cả hai cơ cấu này.
1.1.2 Những yêu cầu về chức năng của giá treo bánh xe và hệ thống lái Đối với cơ cấu giá treo, giá treo độc lập theo quan điểm động học chỉ có một bậc tự do trong dịch chuyển tương đối đối với thùng xe, đối với cơ cấu treo phụ thuộc của một cầu thì phải có 2 bậc tự do (cả hai đều nằm trong mặt phẳng ngang thẳng đứng của xe). Chuyển động theo hướng các bậc tự do như vậy lại làm phát sinh đồng thời các chuyển động khác theo các hướng còn lại hoặc xung quanh chúng (xoay quanh các trục) Cơ cấu giá treo không được cứng tuyệt đối và vì thế tác dụng của ngoại lực từ mặt đường luôn liên quan tới các dịch chuyển và sự quay của các bánh xe theo các hướng không nằm trong các hướng của bậc tự do động học lí thuyết.
Thay đổi vị trí tương đối của các bánh xe so với thùng xe có tác động đáng kể đến khả năng điều khiển của xe, độ êm ái trong chuyển động, mức độ mài mòn lốp, và các đặc tính động lực học của hệ thống lái Điều này ảnh hưởng tổng thể đến động lực học chuyển động của ô tô trên đường.
Các yêu cầu cơ bản về kết cấu của giá treo bao gồm các đặc tính động học và đàn hồi, ảnh hưởng đến các thông số động lực học và phù hợp với chuyển động của xe Hệ thống lái tạo ra mối quan hệ động học giữa hai bánh xe cầu điều khiển, phụ thuộc vào góc quay vô lăng và biến dạng của hệ thống treo Độ cứng của hệ thống và góc đặt bánh xe có ảnh hưởng lớn đến các lực truyền từ mặt đường qua hệ thống treo Vì vậy, các yêu cầu động lực học của hệ thống lái tại cầu điều khiển phải liên quan chặt chẽ đến đặc tính của hệ thống giá treo Ngoài ra, các yếu tố như lực trên vô lăng, số vòng quay vô lăng và vấn đề mài mòn cũng cần được xem xét để đảm bảo sức khỏe cho người lái.
Phương pháp nghiên cứu
Dựa trên yêu cầu của hệ thống lái, chúng ta sẽ đánh giá ảnh hưởng của hệ thống treo hiện tại đến khả năng quay vòng và chuyển động của xe Qua đó, chúng ta sẽ xác định những điểm chưa tốt và đề xuất phương pháp thay thế bằng một hệ thống treo mới, nhằm đáp ứng tốt hơn các yêu cầu của hệ thống lái.
Bố cục
Đồ án gồm 6 chương với các nội dung sau:
Chương 1: Tổng quan Chương này trình bày các nhiệm vụ và chức năng của treo và lái để từ rút ra những yêu cầu quan trọng về động học quay vòng của hệ thống lái làm cơ sở cho việc đánh giá, so sánh những ảnh hưởng của hệ thống treo đến các yêu cầu này và đề ra phương án cải tiến.
Chương 2: Các yêu cầu của hệ thống lái Chương này trình bày các yêu cầu quan trọng về mặt động học, động lực học và ổn định chuyển động thẳng của hệ thống lái để làm cơ sở đánh giá.
Chương 3: Ảnh hưởng của hệ thống treo đến các yêu cầu của hệ thống lái Chương này làm rõ những ảnh hưởng của 2 loại hệ thống treo độc lập và phụ thuộc đến các yêu cầu của hệ thống lái đã được nghiên cứu ở chương trước để làm cơ sở so sánh.
Chương 4: Kết quả so sánh 2 hệ thống treo Dựa vào các đánh giá ở chương trước, chương này tiến hành so sánh để tìm ra hệ thống treo tốt nhất đáp ứng các yêu cầu của hệ thống lái.
Chương 5: Phân tích và lựa chọn phương án cải tiến Dựa vào kết quả so sánh ở chương trước, chương này đưa ra cách thức cải tiến.
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển Chương cuối này đề ra hướng ứng dụng sau khi tìm ra cách thức để cải tiến.
CÁC YÊU CẦU CỦA HỆ THỐNG LÁI
Động học quay vòng và hình thang lái
Quá trình quay vòng của ô tô được chia làm 3 giai đoạn:
+Quá trình ô tô đi vào đường vòng, R giảm dần
+Ô tô quay vòng đều lúc này R = const, V = const
Khi ô tô ra khỏi đường vòng, góc quay của bánh xe dẫn hướng giảm dần và bán kính quay R tăng đến vô cùng, kết thúc giai đoạn này là khi các bánh xe dẫn hướng trở về vị trí thẳng, R = ∞ Để ô tô quay vòng mà không bị lệch, các đường thẳng kéo dài qua tâm trục bánh xe phải cắt nhau tại một điểm, gọi là tâm quay vòng, điều này đảm bảo vận tốc của các bánh xe nằm trong mặt phẳng lăn khi quay Đối với ô tô hai cầu, cầu trước dẫn hướng giúp xe quay vòng không bị trượt, và tâm quay vòng phải nằm trên đường thẳng kéo dài qua trục bánh xe cầu sau.
Để đảm bảo bánh xe dẫn hướng quay không trượt khi thực hiện quay vòng, góc quay vòng của các bánh xe cần tuân theo một công thức cụ thể.
Cotgα1 – Cotg α2 = B0/LX α1, α2: Góc quay bánh xe dẫn hướng phía ngoài và phía trong
B0: Khoảng cách 2 đường tâm trụ đứng đặt tại cam quay các bánh xe dẫn hướng
LX: Chiều dài cơ sở của xe
Nếu coi biểu thức trên là một hàm số thể hiện sự phụ thuộc của góc quay dẫn hướng phía ngoài theo góc quay bánh xe dẫn hướng phía trong, tức là α1 = f(α2), thì đường cong biểu thị mối quan hệ này được xem là đường cong lý tưởng Mối quan hệ này sẽ được thỏa mãn khi áp dụng cơ cấu dẫn động lái 4 khâu bản lề, hay còn gọi là hình thang lái.
Hình thang lái là cơ cấu dẫn động lái bằng cơ thanh đòn, chốt quay bằng cơ cấu
Hình 2.2: Sơ đồ hệ thống lái của ô tô
Hình 2.3: Sơ đồ động học hình thang lái ô tô
Để đánh giá khả năng đáp ứng của hình thang lái trong điều kiện quay vòng không trượt, chúng ta cần phân tích hình thang lái thông qua sơ đồ hệ thống lái và sơ đồ động học của nó.
Phân tích kích thước hình thang lái bao gồm việc xác định các góc θx và γx, cùng với chiều dài của các đòn bên và đòn ngang Chúng ta cần kiểm tra xem tính chất động học của hình thang lái có thỏa mãn biểu thức quay vòng không trượt Đường BL và AF thể hiện trạng thái ô tô chuyển động thẳng, trong khi đường BL’ và AF’ tương ứng với trạng thái quay bánh dẫn hướng Khi đó, đòn BL quay một góc α và đòn AF quay góc βx Từ điểm L’, vẽ IH song song với AB và F’N vuông góc với IH để xác định mối quan hệ hình học giữa các góc βx, γx và α.
Từ (1.1) và (1.2) suy ra: b – msin( γx + α ) – msin( γx – βx ) = √ (b−2 msinγγx ) 2 −¿ ¿
Sau khi rút gọn ta được: βx = γ + arctg b− mcos msinγ( (γx γx+ +α α )
Biểu thức trên cho phép chúng ta vẽ đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa góc quay của bánh xe dẫn hướng phía ngoài và bánh xe dẫn hướng phía trong Đồng thời, đồ thị này cũng thể hiện sự tương quan giữa hai góc quay này trong quá trình hoạt động của hệ thống.
Hình 2.4: Đồ thị mối quan hệ các góc quay của bánh xe dẫn hướng
Từ đồ thị, nếu xác định góc γx, sẽ có góc βx và góc α tương ứng, tức là βx = f(α, γx) Với các giá trị γx, m và nx, ta thu được các đường cong khác nhau Các đường cong này biểu diễn thực tế về các góc quay của bánh xe dẫn hướng so với đường cong lý thuyết, nhưng không thể trùng khớp, luôn tồn tại sai lệch Do đó, cần chọn đường cong γx gần nhất với đường lý thuyết, đảm bảo rằng sai lệch thực tế chỉ từ 3 đến 5% so với lý thuyết là tối ưu.
Giá trị γhl gần nhất với giá trị lý tưởng được lựa chọn, phụ thuộc vào tỷ số m/nx và b/Lx, với sai lệch góc α nhỏ hơn 10 Trong đó, m có giá trị từ 0.14 đến 0.16b và γx nhỏ hơn 35, nx.
Công thức b – 2msinγx được thiết kế với các thông số cố định, đảm bảo rằng dù có sai lệch so với đường cong lý thuyết, cơ cấu hình thang lái vẫn duy trì tính ổn định khi thực hiện quay vòng.
Ổn định hướng chuyển động thẳng của hệ thống lái
Tính ổn định hướng chuyển động thẳng của hệ thống lái phụ thuộc vào sự ổn định của bánh xe dẫn hướng Sự ổn định này thể hiện khả năng giữ vị trí ban đầu của bánh xe khi xe di chuyển thẳng và tự quay về vị trí đó sau khi bị lệch Tính ổn định giúp giảm lực tác động lên hệ thống lái và hạn chế khả năng dao động của bánh xe dẫn hướng.
Sự ổn định của bánh xe dẫn hướng được đảm bảo nhờ vào các thành phần phản lực, bao gồm lực thẳng đứng, lực bên và lực tiếp tuyến tác động lên bánh xe trong quá trình di chuyển của xe.
Các nhân tố kết cấu sau đây đảm bảo tính ổn định của các bánh xe dẫn hướng đó là:
+Góc nghiêng ngoài của bánh xe ϑ
+Độ nghiêng ngang của trụ đứng cam quay góc β.
+Độ nghiêng dọc của trụ đứng cam quay góc γ.
+Độ chụm bánh xe χ (góc chụm θ).
2.2.1 Góc nghiêng ngoài của bánh xe ϑ
Khi bánh xe nghiêng, nó sẽ lăn theo một cung tròn với tâm quay là giao điểm giữa trục bánh xe và mặt đường Hiện tượng này tạo ra phản lực tại vùng tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường, hướng về phía nghiêng, làm tăng lực cản lăn và độ mài mòn của lốp.
Góc nghiêng ngoài của bánh xe giúp ngăn chặn việc bánh xe nghiêng không mong muốn do trọng lượng xe, đồng thời giảm thiểu tác động từ các khe hở và biến dạng của hệ thống treo trước Điều này giữ cho bánh xe dẫn hướng chính xác trên trục của cam quay.
Hệ thống lái được cải thiện nhờ góc nghiêng ngoài của bánh xe, giúp giảm cách tay đòn n của phản lực pháp tuyến đối với trục trụ đứng Điều này không chỉ giảm tải trọng tác dụng lên dẫn động lái mà còn giảm lực tác động lên vành tay lái.
2.2.2 Góc nghiêng ngang β của trụ quay đứng
Khi trụ đứng được đặt nghiêng ngang, phản lực thẳng đứng từ mặt đất tác động lên trục trước của xe sẽ giúp duy trì tính ổn định cho các bánh xe dẫn hướng Điều này đặc biệt quan trọng trên mặt đường cứng, vì khi các bánh xe dẫn hướng lệch khỏi vị trí trung gian, trục trước của xe sẽ bị nâng lên.
Hình 2.6: Góc nghiêng ngang của trụ quay đứng
Khi xem xét bánh xe không có góc nghiêng ngoài, phản lực thẳng đứng của đất Zb có thể được phân tách thành hai thành phần chính: Zbcosβ song song với đường tâm trục quay đứng và Zbsinβ vuông góc với nó, giúp phân tích lực tác động lên bánh xe một cách chính xác hơn.
Trên hình 2.7 biểu thị bánh xe và các lực tác dụng lên nó trong mặt phẳng đường.
Khi các bánh xe quay một góc α, lực Zbsinβ sẽ được phân chia thành hai thành phần: thành phần Zbsinβcosα tác động trong mặt phẳng đi qua tâm của cam quay và thành phần Zbsinβsinα tác động trong mặt phẳng giữa của bánh xe.
Hình 2.7: Sơ đồ phân tích phản lực đường tạo nên momen ổn định
Từ hình 2.7 ta tìm được mômen ổn định tạo nên bởi các phản lực thẳng đứng là:
Mômen ổn định Mzβ được tính bằng công thức Mzβ = Z lsinβsinα, trong đó l là khoảng cách từ tâm bề mặt tựa của bánh xe đến đường tâm của trụ đứng Mômen này sẽ tăng lên khi góc quay vòng α của bánh xe dẫn hướng gia tăng.
Khi α nhỏ thì định Mzβ = Z lsinβsinα nhỏ và ảnh hưởng của nó tới tính ổn định không lớn.
Mômen này có ý nghĩa chủ yếu là làm cho các bánh dẫn hướng tự động quay về vị trí trung gian sau khi thực hiện quay vòng.
Khi quay vòng, mô men Mzβ = Z lsinβsinα sẽ tạo ra lực cản đối với sự quay vòng, do đó cần phải tăng cường lực tác dụng lên vành tay lái Tuy nhiên, nhờ vào độ nghiêng ngang của trụ đứng, mô men phản lực tiếp tuyến từ mặt đất tác động lên bánh xe sẽ giảm, vì cánh tay đòn của nó được rút ngắn Giá trị β thường dao động từ 0° đến 8°.
2.2.3Góc nghiêng dọc γ của trụ quay đứng
Trụ đứng nghiêng về phía sau so với chiều chuyển động của ô tô một góc γ Khi xe vào đường vòng, lực ly tâm và lực gió bên hoặc thành phần bên của trọng lực sẽ tác động lên xe, tạo ra phản lực bên Yb tại khu vực tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường.
Phản lực trên Yb của đường sẽ tạo với tâm tiếp xúc O một mômen ổn định:
Mômen này có xu hướng làm quay bánh xe trở về vị trí trung gian ban đầu khi nó bị lệch khỏi vị trí này.
Hình 2.8: Góc nghiêng dọc của trụ quay thẳng đứng
Vì c = rbsin γ nên mômen ổn định được viết dưới dạng:
Khi thực hiện quay vòng, người lái cần tạo ra lực để khắc phục momen, dẫn đến góc quay γ thường nằm trong khoảng từ 0° đến 3° Momen ổn định Myy không bị ảnh hưởng bởi góc quay của bánh xe dẫn hướng.
2.2.4Góc góc chụm θ của bánh xe
Góc chụm là góc được tạo nên bởi hình chiếu lên mặt phẳng ngang của đường kính hai bánh xe dẫn hướng.
Hình 2.9: Góc chụm θ của bánh xe
Góc chụm bánh xe có vai trò quan trọng trong việc ngăn chặn tình trạng hai bánh dẫn hướng bị ảnh hưởng bởi độ mòn hoặc biến dạng của ổ đỡ và các chi tiết cầu trước, hệ thống treo Bên cạnh đó, góc chụm cũng giúp giảm mô men tác động lên hệ thống lái, từ đó ổn định tay lái và cải thiện hiệu suất điều khiển xe.
Để tránh tình trạng mòn lốp do các bánh xe dẫn hướng bị nghiêng vào dưới tải trọng của cầu trước, cần bố trí góc chụm θ ra ngoài Việc này giúp bánh xe dẫn hướng lăn trong mặt phẳng thẳng đứng, từ đó giảm thiểu sự trượt và mài mòn lốp.
Dưới tác dụng của tải trọng lên cầu, bánh dẫn hướng không luôn lăn trong mặt phẳng thẳng đứng, và góc chụm quá lớn có thể gây ra hiện tượng trượt ngang tại vị trí tiếp xúc với mặt đường Để khắc phục vấn đề này, cần điều chỉnh góc chụm của bánh xe dẫn hướng, được xác định bằng hiệu số khoảng cách giữa phía trước và phía sau của bánh xe Trên ô tô hiện đại, độ chụm thường dao động từ 2 đến 8 mm.
Động lực học treo lái
Khi xe di chuyển trên bề mặt đường mấp mô, lực tác động mạnh từ mặt đường lên vô lăng có thể ảnh hưởng đến động học và sự ổn định của chuyển động thẳng trong hệ thống lái Độ lớn của lực này phụ thuộc vào sự phối hợp động học giữa hệ thống treo và hệ thống lái thông qua các góc đặt bánh xe.
2.3.1 Đối với hệ thống treo độc lập
Hình 2.10: Giá treo bánh xe điều khiển
Sự thay đổi vị trí của hệ thống treo bánh xe điều khiển được xác định bởi vị trí thẳng đứng Zs của tâm bánh xe S và tọa độ s của khớp lái B so với khung xe bất động Dịch chuyển Zsr = Zs - Zso được gọi là biến dạng hệ thống treo, với dấu dương khi bánh xe tiến lại gần thùng xe Tọa độ s có thể được đo theo chiều dài trong cơ cấu lái kiểu thanh răng hoặc theo góc trong trường hợp thanh lái chuyển động quay Đôi khi, chuyển động của hệ thống lái cũng được thể hiện qua góc quay của vô lăng φv Các tọa độ này có giá trị không tại vị trí cơ sở của hệ thống, được hiểu là khi các bánh xe ở vị trí chuyển động thẳng và khoảng cách từ bánh xe tới khung xe ứng với tải trọng trung bình của xe.
Nghiên cứu giá treo độc lập của bánh xe điều khiển bao gồm việc xác định các thông số quan trọng như điểm chịu lực từ xe và mặt đường, cánh tay đòn của các lực để xác định mô men lái, và các góc xác định vị trí bánh xe so với thùng xe Các điểm chính trong hệ tọa độ của xe bao gồm tâm S của bánh xe (xs, ys, zs), điểm tiếp xúc lý thuyết E (xE, yE, zE) với mặt đường, điểm đặt lực P của lò xo, và điểm T gắn bộ ổn định.
Giá đỡ bánh xe nghiêng ra phía sau góc βn Bánh xe được bố trí với góc nghiêng ϑ và góc chụm ϰ.
Vị trí của ngõng trục được xác định bởi góc nghiêng trong mặt phẳng ngang δ, mặt phẳng dọc β và cánh tay đòn đến tâm bánh xe Lò xo hệ thống treo có chiều dài xác định fF, và biến dạng của bộ ổn định được xác định từ vị trí các điểm TP và TL của giá treo bên phải và bên trái Ở vị trí cơ sở, Zs0 = 0, với các thông số cơ bản như góc nghiêng ϑ0, góc chụm ϰ0, giá đỡ bánh xe có góc βn0 = 0, ngõng trục có góc β0, δ0, và lò xo có chiều dài fF0, trong khi bộ ổn định không dịch chuyển Những thông số này được gọi là các thông số hình học cơ bản của hệ thống treo và lái.
Khi bánh xe dao động với Zsr ≠ 0, tất cả các vị trí của các điểm, giá trị góc, chiều dài lò xo và biến dạng của bộ ổn định đều thay đổi Nhiệm vụ chính của chúng ta là quan tâm đến các dịch chuyển tương đối của các điểm so với vị trí cơ sở Cụ thể, ta xem xét dịch chuyển về phía trước của tâm bánh xe x’s = (xs – xs0), dịch chuyển bên của điểm E so với mặt đường y’E = yE – yE0, lò xo bị nén f’ = fF – fF0, biến dạng của bộ ổn định, cùng với giá trị của tất cả các góc β, βn, ϑ, ϰ, δ.
Các sự phụ thuộc xsr = f(zsr), xEr = f(zSr), yEr = f(zsr) …, ϑ = f( zsr)…, fF = f(zsr) được gọi là các đặc tính động học cơ bản của giá treo và lái.
2.3.2 Đối với hệ thống treo phụ thuộc
Giá treo phụ thuộc có các đặc tính động học tương tự, tuy nhiên cần lưu ý rằng hàm của hai biến zspr (phía phải) và zsLr (phía trái) có sự liên quan chặt chẽ Có hai trường hợp điển hình là chuyển động với một bậc tự do, được xác định bởi các điều kiện khác, và do đó so với vị trí cơ bản.
Khi dịch chuyển (biến dạng HTT) song song thì zsLr = zsPr , hình 2.11.a
Khi dịch chuyển đối diện thì zsLr = - zsPr , hình 2.11.b
Khi thay đổi tọa độ điểm S để xác định vị trí khớp lái hoặc khi quay vô lăng góc φv, vị trí của điểm S và E sẽ thay đổi, ảnh hưởng đến các thông số như góc chụm, góc nghiêng bánh xe và tay đòn của ngõng trục bánh xe Sự phụ thuộc của các thông số này vào các biến zsr và s, hay xsr = f(zsr, s) và xsr = f(zsr, φv), được gọi là Đặc tính động học mở rộng của hệ thống treo và lái Đối với ô tô với một cầu điều khiển, khi quay vô lăng một góc φv, các bánh xe bên phải và bên trái sẽ quay các góc khác nhau, với sự quay của bánh xe trong mặt phẳng mặt đường được kí hiệu là φi = φxyi Mối quan hệ giữa góc quay bánh trái φL = f(φv – ϰ) và bánh phải φp = f(φv) + ϰ, hoặc φL = f(φp) và φ’p = f(φ’L) đối với zsLr = zspr đã cho, được gọi là Đặc tính động học hệ thống lái.
Nếu hệ thống treo và lái được coi là xác lập về mặt động học, thì sẽ tạo ra các phần tử cứng và tất cả các khớp động học sẽ không có độ hở Dưới giả thiết này, mối quan hệ động học chỉ được xác định bởi một quan hệ động học tương ứng duy nhất.
Trong trường hợp giá treo có độ cứng động học quá cao, việc xác định vị trí của cơ cấu trở nên quan trọng Chương này tập trung vào việc phân tích hệ thống treo lái lý tưởng, nhằm xác định các đặc tính động học dựa trên bố trí hình học và động học của giá treo Khi tổng hợp cơ cấu giá treo và lái, chúng ta cần bố trí hình học của hệ thống giá treo theo sơ đồ động học đã được xác định và các đặc tính động học yêu cầu.
Kết luận
Khi thay thế hệ thống treo ở cầu trước, ngoài việc đảm bảo độ êm dịu và lực động, cần đặc biệt chú ý đến hệ thống lái vì đây là cầu dẫn hướng quan trọng Việc thay thế phải giúp hệ thống lái hoạt động hiệu quả hơn hoặc ít nhất không làm giảm chất lượng Do đó, cần đảm bảo không ảnh hưởng đến các yêu cầu của hệ thống lái, đặc biệt là về động học quay vòng.
+ Ổn định chuyển động thẳng thông qua các góc đặt bánh xe
+ Khống chế được lực từ mặt đường tác dụng lên vô lăng thông qua phối hợp động học treo lái.
ẢNH HƯỞNG CỦA HỆ THỐNG TREO ĐẾN CÁC YÊU CẦU CỦA HỆ THỐNG LÁI
Kết cấu động học của hệ thống treo phụ thuộc
Hình 3.1: Kết cấu động học của giá treo phụ thuộc
Theo quan điểm động học giá treo phụ thuộc như một cầu cứng cho phép 2 chuyển động cơ bản là:
Thay đổi khoảng cách theo phương thẳng đứng giữa điểm bất kỷ của cầu và thùng xe giúp duy trì trục cầu gần như vuông góc với mặt phẳng đối xứng dọc của xe (x, z).
Chuyển động xoay so với thùng xe trong mặt phẳng gần như song song với mặt phẳng ngang của xe (y,z).
Dầm cầu kết nối hai bánh xe trong hệ thống treo phụ thuộc được duy trì gần như vuông góc với mặt phẳng đối xứng dọc của xe (x,z) Khi một bánh xe dẫn hướng bị dịch chuyển theo phương thẳng đứng do mấp mô, bánh xe còn lại cũng sẽ bị dịch chuyển theo, dẫn đến việc tăng lực tác dụng từ mặt đường lên vô lăng.
Khi 1 bánh xe bị dịch chuyển trong mặt phẳng ngang của xe (y,z) sẽ khiến cho bánh còn lại cũng bị dịch chuyển làm cho góc quay của bánh xe ngoài và bánh xe trong cũng bị ảnh hưởng.
Ảnh hưởng của hệ thống treo phụ thuộc đối với các yêu cầu của hệ thống lái
Dựa trên các yêu cầu của hệ thống lái đã được phân tích, chúng tôi sẽ đánh giá tác động của hệ thống treo phụ thuộc đến các yêu cầu này liên quan đến chuyển động và động học Đánh giá này sẽ được thực hiện thông qua các đồ thị được chứng minh bằng tính toán thực nghiệm từ tài liệu của Lâm Thanh Vương và Âu Văn Bắc (2015).
3.2.1 Dịch chuyển bên của điểm tiếp xúc bánh xe mặt đường khi 2 lò xo biến dạng cùng hướng
Khi 2 lò xo di chuyển cùng hướng, độ dịch chuyển bên của điểm tiếp xúc bánh xe với mặt đường yE1 = yE2 có sự thay đổi đáng kể Cụ thể, khi yE1 = yE2 dịch chuyển khoảng -4mm, thì zsr tăng lên 80mm Ngược lại, khi yE1 = yE2 dịch chuyển khoảng 14mm, zsr cũng dịch chuyển -80mm Điều này cho thấy mối quan hệ giữa độ dịch chuyển bên và zsr là rất quan trọng trong việc hiểu rõ hành vi của hệ thống.
Khi yE1 và yE2 di chuyển ra ngoài hoặc vào trong với độ lớn khác nhau, hai lò xo sẽ biến dạng một đoạn tương ứng giống nhau.
Khi độ dịch chuyển bên thay đổi, đặc biệt là khi sự thay đổi quá lớn, sẽ làm mất thời gian ổn định vị trí trung gian ban đầu của bánh xe Điều này có thể ảnh hưởng tiêu cực đến sự ổn định trong chuyển động thẳng của hệ thống lái.
3.2.2 Góc nghiêng ngang β của trụ quay đứng
Đặc tính góc nghiêng β của cầu xe cho thấy mối quan hệ giữa độ dịch chuyển zsr của hệ thống treo và góc nghiêng β Khi góc nghiêng của cầu tăng từ 0 đến 2,5 độ, độ biến dạng của hệ thống treo thay đổi từ 0 đến 80mm Ngược lại, khi góc nghiêng giảm từ 0 đến 2 độ, độ dịch chuyển của hệ thống treo biến đổi từ 0 đến (-80mm).
Như vậy ta thấy khi góc nghiêng βcủa cầu thay đổi nhỏ cũng có thể gây nên sự biến dạng đáng kể cho hệ thống treo.
Sự thay đổi góc β ảnh hưởng đến momen ổn định Mzβ, làm thay đổi khả năng ổn định chuyển động thẳng của bánh xe, buộc người lái phải tăng cường lực lên vành lái để điều chỉnh lái xe.
3.2.3 Dịch chuyển về phía trước của tâm bánh xe khi 2 lò xo biến dạng cùng hướng
Hình 3.4 minh họa mối quan hệ giữa độ biến dạng hệ thống treo zsr và dịch chuyển của tâm bánh xe xsLr = xsPr Khi tâm bánh xe dịch chuyển về phía trước 9mm, độ biến dạng zsr của hệ thống treo đạt -80mm Ngược lại, khi tâm bánh xe dịch chuyển về phía sau 10mm, độ biến dạng zsr sẽ là 80mm.
Do đó ta có thể thấy khi tâm bánh xe dịch chuyển về trước một đoạn xấp xỉ nhau thì độ biến dạng hệ thống treo là như nhau
Sự dịch chuyển này sẽ làm thay đổi quá trình hồi vị của bánh xe, cụ thể là biên độ dịch chuyển lớn hơn sẽ dẫn đến thời gian hồi vị lâu hơn, gây khó khăn cho việc duy trì ổn định chuyển động thẳng của hệ thống lái.
Hình 3.5 minh họa sự dịch chuyển góc ϑ khi hai lò xo bị biến dạng Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa góc nghiêng bánh xe ϑL và độ biến dạng của hệ thống treo zsr Khi góc nghiêng bánh xe tăng từ 0 đến 6 độ, độ biến dạng zsr của hệ thống treo đạt 80mm; ngược lại, khi góc nghiêng giảm từ 0 đến 6 độ, độ biến dạng zsr sẽ là -80mm.
Khi bánh xe nghiêng trái hoặc phải một góc bằng nhau, độ biến dạng của hệ thống treo cũng sẽ tương đương Đối với hệ thống lái, góc nghiêng này làm thay đổi tỉ lệ thuận với cánh tay đòn của phản lực pháp tuyến đối với trục trụ quay đứng; nếu góc nghiêng tăng lên, lực tác động lên dẫn động lái và vành tay lái cũng sẽ tăng theo.
3.2.5 Dịch chuyển bên của điểm tiếp xúc bánh xe với mặt đường khi 2 lò xo biến dạng ngược hướng
Hình 3.6 minh họa sự dịch chuyển bên của điểm tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường khi hai lò xo biến dạng theo hướng ngược nhau Đồ thị cho thấy mối quan hệ giữa dịch chuyển bên yELr, yEPr của điểm tiếp xúc và độ biến dạng zsr của hệ thống treo Khi dịch chuyển bên yELr, yEPr tăng từ 0 đến 35mm, độ biến dạng zsr của hệ thống treo cũng tăng từ 0 đến 80mm.
24 dịch chuyển bên giảm 0-30mm thì độ biến dạng zsr của hệ thống treo thay đổi 0- (-80mm).
Khi độ dịch chuyển bên yELr và yEPr di chuyển qua trái hoặc phải với khoảng cách tương đương, độ biến dạng zsr của hệ thống treo sẽ giữ nguyên.
Khi độ dịch chuyển bên thay đổi, đặc biệt là khi thay đổi quá lớn, sẽ làm mất nhiều thời gian để ổn định vị trí trung gian ban đầu của bánh xe Điều này gây ảnh hưởng xấu đến sự ổn định trong chuyển động thẳng của hệ thống lái.
3.2.6 Dịch chuyển về phía trước của tâm bánh xe khi 2 lò xo biến dạng ngược hướng
Hình 3.7 minh họa sự dịch chuyển về phía trước của tâm bánh xe khi hai lò xo biến dạng theo hướng ngược lại Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa dịch chuyển xsLr, xsPr của tâm bánh xe và độ biến dạng zsr của hệ thống treo Qua đó, có thể nhận thấy rằng với cùng một khoảng biến dạng zsr của hệ thống, tâm bánh xe sẽ có những thay đổi nhất định.
Trong hệ thống treo, khi khoảng biến dạng đạt từ 0 đến -80mm, khoảng dịch chuyển của tâm bánh xe về phía trước được thể hiện bằng xs1 lớn hơn xs2, cho thấy sự khác biệt trong hướng dịch chuyển của các thành phần.
Kết cấu của hệ thống treo độc lập
Xét về mặt động học bánh xe được treo độc lập thì không ảnh hưởng tới chuyển động của bánh xe khác
Cơ cấu giá treo và hệ thống lái được tích hợp chặt chẽ, trong đó sự dịch chuyển của bánh xe theo các mặt phẳng dọc và ngang khi quay vòng sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của hệ thống lái.
Hình 3.9: Gía treo độc lập Mc.Person
Cơ cấu treo độc lập Mc Person, như hình 3.9, là một giải pháp hiệu quả để so sánh và thay thế cải tiến trong hệ thống treo Cơ cấu này được áp dụng rộng rãi với các khớp đỡ giá treo và ống trượt, đáp ứng tốt các yêu cầu của bánh xe điều khiển với dầm cầu cắt độc lập giữa hai bánh xe.
Ảnh hưởng của hệ thống treo độc lập đối với hệ thống lái
Sau khi phân tích tác động của hệ thống treo phụ thuộc đến yêu cầu của hệ thống lái, chúng ta cũng tiến hành đánh giá tương tự đối với hệ thống treo độc lập Điều này được chứng minh qua các đồ thị thực nghiệm đã được công bố bởi Lâm Thanh Vương và Âu Văn Bắc.
(2015) ), để rút ra được những ảnh của hệ thống treo này.
Hình 3.10: Đồ thị độ chụm χ
Khi độ chụm χ tăng lên 5’, hệ thống treo biến dạng xuống -40mm và tiếp tục giảm xuống -80mm khi độ chụm giảm Ngược lại, khi độ chụm giảm từ 0 đến 25’, zs sẽ tăng lên 80mm, giúp giảm momen tác dụng lên hệ thống lái và ổn định cánh tay đòn Việc điều chỉnh độ chụm trong khoảng 2-8mm là rất quan trọng để duy trì sự ổn định của hệ thống lái và chuyển động thẳng.
Đồ thị góc nghiêng ϑ cho thấy mối quan hệ giữa dịch chuyển góc nghiêng của bánh xe và biến dạng hệ thống treo Khi tâm bánh xe di chuyển theo phương thẳng đứng gần thùng xe trong khoảng 80mm, góc nghiêng bánh xe thay đổi đáng kể hơn so với khi bánh xe rời xa thùng xe, dẫn đến việc góc nghiêng bánh xe giảm.
0.6 0 Khi biến dạng hệ thống treo càng lớn thì góc nghiêng bánh xe càng lớn đặc biệt là khi bánh xe dịch chuyển về phía thùng xe.
Góc nghiêng của hệ thống lái ảnh hưởng trực tiếp đến cánh tay đòn của phản lực pháp tuyến đối với trục trụ quay đứng Cụ thể, khi góc nghiêng tăng lên, lực tác dụng lên dẫn động lái và vành tay lái cũng sẽ tăng theo tỷ lệ thuận.
3.4.3 Góc nghiêng ngang β của trụ quay đứng
Góc nghiêng ngang β của trụ quay đứng trùng với góc nghiêng giá đỡ bánh xe, với giá trị mặt định là 4.5 độ khi hệ thống treo chưa biến dạng Khi tâm bánh xe dịch chuyển gần thùng xe do lực thẳng đứng khoảng 80mm, bánh xe sẽ có xu hướng nâng lên, dẫn đến việc góc β tăng lên 6 độ.
Khi tâm bánh xe di chuyển ra xa thùng xe, góc β của trụ quay thẳng đứng sẽ giảm theo hàm phụ thuộc vào Zs nhưng vẫn giữ giá trị dương tối thiểu là 3.9 độ Điều này cho thấy rằng khi hệ thống treo biến dạng, góc nghiêng ngang của trụ quay đứng sẽ thay đổi theo tỉ lệ thuận.
Sự thay đổi góc β tạo ra momen ổn định Mzβ, ảnh hưởng đến sự ổn định chuyển động thẳng của xe Điều này buộc người lái phải tăng cường lực trên vành lái để điều khiển xe.
3.4.4 Dịch chuyển dọc của tâm bánh xe x sr
Đồ thị dịch chuyển dọc của tâm bánh xe x sr cho thấy mối quan hệ rõ ràng giữa sự dịch chuyển của tâm bánh xe và biến dạng của hệ thống Khi dịch chuyển dọc của tâm bánh xe đạt đến 80mm, độ dịch chuyển của tâm bánh xsr thay đổi từ 0mm đến khoảng 3mm Tương tự, khi tâm bánh xe di chuyển từ 0 đến -80mm, nó cũng dịch chuyển 3mm về phía trước Điều này cho thấy rằng ngay cả một sự dịch chuyển nhỏ của tâm bánh xe cũng có thể ảnh hưởng đáng kể đến biến dạng của hệ thống treo.
Sự dịch chuyển này sẽ làm thay đổi quá trình hồi vị của bánh xe, với biên độ dịch chuyển lớn hơn dẫn đến thời gian hồi vị kéo dài, gây khó khăn cho việc duy trì ổn định trong chuyển động thẳng của hệ thống lái.
3.4.5 Dịch chuyển bên của tâm bánh xe y er
Đồ thị dịch chuyển bên y E thể hiện mối quan hệ giữa sự dịch chuyển bên của điểm tiếp xúc bánh xe và mặt, cùng với biến dạng của hệ thống treo, với bán kính r = 248mm.
Dịch chuyển của tâm bánh xe có biên độ từ 0 đến 80mm, với điểm biến dạng 40mm cho thấy dịch chuyển ngang của điểm yer đạt tối đa 10mm, và nếu tiếp tục biến dạng, yer sẽ giảm Khi dịch chuyển ngang theo chiều ngược lại với biên dạng tối đa 40mm, hệ thống treo sẽ biến dạng 80mm Điều này cho thấy dịch chuyển ngang ảnh hưởng lớn đến biến dạng của hệ thống treo Sự thay đổi độ dịch chuyển bên, đặc biệt khi quá lớn, sẽ làm mất thời gian ổn định vị trí trung gian ban đầu của bánh xe, gây ảnh hưởng xấu đến sự ổn định chuyển động thẳng của hệ thống lái.
3.4.6 Góc quay vô lăng ϕv ϕv v ϕv và góc quay bánh xe ϕv ϕv L
Đồ thị góc ϕv v và ϕv L minh họa mối quan hệ giữa góc quay bánh xe và góc quay vô lăng Khi vô lăng được quay từ 0 đến 720 độ, góc quay bánh xe thay đổi khoảng 40 độ Ngược lại, khi vô lăng quay từ 0 đến -720 độ, góc quay bánh xe chỉ thay đổi khoảng 30 độ Điều này cho thấy góc quay bánh xe khi quay sang phải và trái không giống nhau.
Góc quay vô lăng ảnh hưởng trực tiếp đến góc quay bánh xe, và ngược lại, góc quay bánh xe tác động đến động học của hệ thống lái thông qua công thức quay vòng Khi vô lăng quay sang trái hoặc phải, động học quay vòng sẽ khác nhau, nhưng vẫn hợp lý nhờ vào cấu trúc hợp lý của hình thang lái.
3.4.7 Góc nghiêng bánh xe ϑ và ϕv L
Hình 3.16: Đồ thị góc nghiêng bánh xe ϑ và góc quay bánh xe ϕL
Khi góc quay của bánh xe tăng từ 0 đến khoảng 40 độ, góc nghiêng của bánh xe cũng tăng từ 0 đến khoảng 5 độ Tuy nhiên, khi góc quay bánh xe giảm, góc nghiêng sẽ có những thay đổi tương ứng.
Khi bánh xe quay từ 0 đến 40 độ, góc quay chỉ thay đổi khoảng 30 độ Phân tích cho thấy, khi bánh xe quay sang trái hoặc phải, góc nghiêng của bánh xe cũng thay đổi với một lượng khác nhau.
Kết luận
Mỗi loại hệ thống treo đều ảnh hưởng khác nhau đến yêu cầu của hệ thống lái, bao gồm: tác động đến góc lệch bánh xe dẫn hướng khi đánh lái quay vòng; ảnh hưởng đến ổn định chuyển động thẳng của xe, phụ thuộc vào các góc đặt bánh xe, mà những góc này sẽ thay đổi khi hệ thống treo biến dạng; và ảnh hưởng đến độ dịch chuyển của tâm bánh xe khi hệ thống treo bị biến dạng.
Dựa trên sự khác biệt của các ảnh hưởng, chúng ta sẽ tiến hành so sánh để tìm ra phương án tối ưu cho hệ thống treo, nhằm đáp ứng tốt nhất các yêu cầu của hệ thống lái.
KẾT QUẢ SO SÁNH VÀ ĐÁNH GIÁ 2 HỆ THỐNG TREO
Góc nghiên β của trụ quay đứng
Sau khi phân tích ảnh hưởng của hai loại hệ thống treo ở chương 3, chúng ta sẽ so sánh các đánh giá để nhận thấy rằng việc thay thế hệ thống treo phụ thuộc bằng hệ thống treo độc lập sẽ cải thiện đáng kể các vấn đề liên quan đến treo và lái Hình 4.1 sẽ minh họa sự so sánh góc nghiêng của trụ quay thẳng đứng giữa hai loại hệ thống treo khi bánh dẫn hướng thực hiện quay vòng.
Hình 4.1: Đồ thị so sánh góc nghiêng ngang trụ quay đứng
Giá treo phụ góc nghiêng của trụ quay đứng phản ánh góc nghiêng của cầu do kết cấu dầm cầu liền Khi hệ thống treo bị biến dạng, giá trị góc β trong hệ thống treo dao động từ -20 độ đến khoảng 30 độ, trong khi ở hệ thống treo độc lập, giá trị này dao động từ 3.9 độ trở lên.
Hệ thống treo độc lập có khả năng giúp bánh xe dẫn hướng quay về vị trí chính xác khi bị lệch góc β dao động từ 0 đến 80 độ, đáp ứng tốt yêu cầu vận hành.
Góc nghiêng bánh xe ϑ
Hình 4.2 so sánh đánh giá, ảnh hưởng của 2 loại hệ thống treo đã làm rõ ở chương 3 đến góc đặt bánh xe và ảnh hưởng đến việc dẫn động lái
Hình 4.2: Đồ thị so sánh góc nghiêng ngang bánh xe
Hệ thống treo phụ thuộc biến dạng có góc nghiêng bánh xe dao động từ -8° đến khoảng 6°, trong khi hệ thống treo độc lập có góc nghiêng từ 1.8° đến khoảng 0.7° Góc nghiêng bánh xe rất quan trọng để xe không bị nghiêng không mong muốn khi quay vòng và giữ đúng hướng Tuy nhiên, nếu góc nghiêng quá lớn, sẽ dẫn đến hiện tượng mòn lốp, lệch quỹ đạo chuyển động và tăng lực tác động lên dẫn động lái và vành lái do cánh tay đòn từ tâm bánh xe đến trụ cam quay tăng lên Do đó, góc ϑ nên dao động trong khoảng nhỏ như ở hệ thống treo độc lập để đảm bảo hiệu suất lái xe tốt nhất.
Dịch chuyển dọc của tâm bánh xe
Hình 4.3 so sánh độ dịch chuyển dọc của bánh xe giữa hai loại hệ thống treo đã được phân tích ở chương 3, nhằm xác định hệ thống nào gây ra dịch chuyển nhỏ nhất khi chịu biến dạng trong quá trình làm việc.
Hình 4.3: Đồ thị so sánh dịch chuyển dọc
Khi hệ thống treo bị biến dạng, độ dịch chuyển dọc của tâm bánh xe ở hệ thống treo phụ thuộc lên tới gần 10mm, trong khi hệ thống treo độc lập chỉ khoảng 2.5mm Do đó, để giảm thiểu dao động khi bánh xe di chuyển qua mấp mô và lệch hướng, việc lựa chọn hệ thống treo độc lập là ưu tiên hàng đầu, vì nó giúp giảm tối đa độ dịch chuyển.
Dịch chuyển bên của tâm bánh xe
So sánh độ dịch chuyển bên của hai loại hệ thống treo, chúng ta có thể xác định loại nào mang lại ảnh hưởng tích cực nhất đến yêu cầu động học của hệ thống lái.
Hình 4.4: So sánh dịch chuyển bên
Hệ thống treo phụ thuộc cho thấy sự dịch chuyển dọc với biên độ khoảng 30mm, trong khi hệ thống treo độc lập có biên độ dịch chuyển ngang có thể dao động từ 0 đến 40mm Sự kết nối dầm cầu liền trong hệ thống treo phụ thuộc dẫn đến biến động dịch chuyển bên không đều Tuy nhiên, hệ thống treo độc lập vẫn có khoảng dịch chuyển nhỏ hơn, mang lại sự ổn định và ít biến dạng hơn, từ đó giảm thiểu ảnh hưởng đến kết cấu động học của hệ thống lái, giúp việc quay vòng diễn ra thuận lợi hơn.
Góc chụm bánh xe χ
Hệ thống treo phụ thuộc kết nối hai bánh xe dẫn hướng bằng dầm cầu liền, khiến chúng gần như song song trong mặt phẳng dọc, với khoảng cách trước và sau giữa hai bánh dẫn hướng không đáng kể Do đó, góc chụm không thể được tính đến Để điều chỉnh góc chụm cho bánh dẫn hướng, chỉ có thể áp dụng hệ thống treo độc lập.
Góc quay của bánh xe dẫn hướng
Góc quay của bánh xe dẫn hướng trong hệ thống treo phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm cả sự kết nối liền mạch với các bộ phận khác Đặc biệt, góc quay này còn chịu ảnh hưởng từ góc quay vô lăng và góc nghiêng của bánh xe, tạo nên sự tương tác phức tạp trong quá trình vận hành.
Trong hệ thống treo độc lập, góc nghiêng của bánh xe ảnh hưởng đến góc quay của bánh dẫn hướng, với biên độ dao động khoảng 40 độ Tương tự, góc quay vô lăng cũng chịu tác động tương tự Đặc biệt, lực tác dụng lên một bánh xe không ảnh hưởng đến bánh xe khác nhờ vào cấu trúc cầu cắt của hệ thống treo độc lập.
Góc quay bánh dẫn hướng đóng vai trò quan trọng trong hiệu suất quay vòng của xe Hệ thống treo độc lập với các góc đặt bánh xe tối ưu giúp cải thiện liên kết góc quay giữa bánh xe dẫn hướng phía ngoài và phía trong, từ đó đảm bảo việc thỏa mãn công thức quay vòng hiệu quả.
Kết luận
Hệ thống treo độc lập không chỉ không gây ảnh hưởng tiêu cực mà còn có khả năng cải thiện đáng kể khả năng quay vòng của hệ thống lái.
Giúp cho các góc đặt bánh xe đạt giá trị tốt hơn, phù hợp hơn cho việc ổn định chuyển động thẳng sau khi quay vòng.
Giảm thiểu độ dịch chuyển của bánh xe khi hệ thống treo biến dạng giúp xe ổn định khi quay vòng
Giúp góc quay của bánh xe dẫn hướng liên kết chặt chẽ thỏa mãn công thức quay vòng.
Hệ thống treo độc lập mang lại hiệu quả tích cực cho khả năng quay vòng của ô tô Chúng ta sẽ cùng khám phá cách áp dụng hệ thống này lên xe trong chương tiếp theo.
PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN CẢI TIẾN
Lựa chọn thông số xe
5.1.1 Điều kiện lựa chọn Ở đây chúng ta không hoàn toàn thiết kế mà là thay thế cải tiến để thỏa mãn tốt hơn những yêu cầu của hệ thống lái đã được phân tích ở trên Vì vậy, chỉ xem xét cải tiến về mặt động học và bỏ qua tính toán sức bền và ứng suất của hệ thống treo Để cải tiến hệ thống treo phụ thuộc loại nhíp vốn có nhiều nhược điểm như đã phân tích gây ảnh hưởng đến quay vòng của hệ thống lái chúng ta thay thế bằng hệ thống treo độc lập Mc.Person.
Các tính toán dưới đây không áp dụng cho một mẫu xe ô tô cụ thể, mà chỉ mang tính chất phương pháp để nghiên cứu và cải tiến Số liệu trong phần này được trích dẫn từ các tài liệu nghiên cứu đã được chứng minh, bao gồm công trình của Hoàng Duy Nam (2017) về thiết kế hệ thống treo phụ thuộc cho xe tải và nghiên cứu của Trần Hùng Anh cùng Nguyễn Anh Ngọc (2015) về thiết kế hệ thống treo độc lập cho xe 8 chỗ ngồi Dựa trên các thông số này, chúng tôi tiến hành tính toán và đánh giá cho loại xe tải nhỏ 1.5 tấn, sử dụng thông số cấu tạo của xe Veam VT150.
5.1.2 Các thông số kĩ thuật của xe Veam VT 150
Chiều dài cơ sở 2565 mm
Chiều dài tổng thể 4970 mm
Chiều cao tổng thể 2500 mm
Chiều rộng tổng thể 1650 mm
Phân bố trọng lượng xe toàn phần (đủ tải) lên cầu trước lên cầu sau
23000 N Trọng lượng bản thân phân ra cầu trước phân ra cầu sau
Hình 5.1: Thông số kĩ thuật ô tô cần cải tiến
Phân tích yêu cầu của hệ thống treo
5.2.1 Phân tích các thông số hệ thống treo cũ Đối với hệ thống treo phụ thuộc lá nhíp khi dịch chuyển sẽ xuất hiện nội ma sát giữa các lá nhíp và tạo nên tâm cong trong dịch chuyển của lò xo gây nên những biến dạng của hệ thống treo ảnh hưởng đếm dao dộng của các góc dặt bánh xe và tay lái.
Hệ thống treo có cấu trúc đối xứng hai bên, cho phép chúng ta chỉ cần tính toán cho một bên khi thực hiện các phép tính Đối với tải trọng tác động lên một bên của hệ thống treo trước, áp dụng công thức tính toán hệ thống treo nhíp phụ thuộc cầu trước theo tài liệu của Hoàng Duy Nam (2017) trong chương 3, chúng ta có thể xác định các thông số kỹ thuật của xe.
Trọng lượng không được treo (Got): Got = 1500/2 = 750 (N)
Trọng lượng được treo (Gdt) được tính toán bằng công thức Gdt = (10000 – 750)/2, cho kết quả là 4625 N Áp dụng công thức tính toán hệ thống treo nhíp phụ thuộc cầu trước từ tài liệu của Hoàng Duy Nam (2017) trong chương 3, ta có thể xác định tần số dao động của xe.
Tần số dao động của xe dao động trong khoảng 60 đến 120 lần mỗi phút Với tần số này, người khỏe mạnh có thể chịu đựng được, đồng thời hệ thống treo cần đủ độ cứng để đảm bảo sự ổn định.
Ta có: nf = 30/√ ft trong đó ft: độ võng tĩnh của hệ thống treo (m)
Nếu nhịp tim dưới 60 lần/phút, điều này có lợi cho sức khoẻ con người Tuy nhiên, độ võng tĩnh của hệ thống treo lại rất lớn, dẫn đến việc kiểm nghiệm không đảm bảo độ cứng vững cần thiết.
Nếu nf > 120 (lần/phút) không phù hợp với hệ thần kinh của con người dẫn đến mệt mỏi, ảnh hưởng đến sức khoẻ và an toàn khi lái xe.
Chọn sơ bộ tần số dao động của hệ thống treo trước: ntr= 80 (lần/phút).
Hệ thống treo nhíp phụ thuộc cầu trước được tính toán dựa trên công thức xác định độ võng động fđ, phụ thuộc vào đường đặc tính của hệ thống và độ võng tĩnh ft Mặc dù giá trị chính xác của fđ chưa được xác định, trong thiết kế thường lấy fđ = (0,61,0)ft Độ cứng của hệ thống treo được tính bằng công thức C = Gdt / ft, với giá trị cụ thể là C = 3300 / 0.141 = 23404 (N/m).
Hệ thống treo nhíp phụ thuộc cầu trước được thiết kế theo công thức tính toán trong tài liệu của Hoàng Duy Nam (2017) trong chương 3 của cuốn sách “Thiết kế hệ thống treo phụ thuộc xe tải” Hình 5.2 minh họa bố trí hệ thống tro kiểu cũ, giúp xác định số lượng nhíp cần thiết cho xe tải.
Với kiểu bố trí này số lá nhíp L=(0,260,35)Lx =(0,260,35)2565 = 750 , Lx là chiều dài cơ sở của xe
Với số lá nhíp là 5, với h=7(mm); bP(mm)
Hệ thống treo có khối lượng không được treo lớn do đặc điểm kết cấu của nó, bao gồm khối lượng dầm thép, cụm bánh xe, nhíp, và các đòn kéo ngang, dọc của hệ thống lái Khối lượng không được treo lớn ảnh hưởng đến độ êm dịu của chuyển động, khiến khả năng bám đường của bánh xe giảm khi di chuyển trên các đoạn đường gồ ghề, gây ra va đập lớn.
Kết cấu hệ treo của ô tô thường cồng kềnh và chiếm nhiều không gian dưới gầm xe, với hai bánh xe gắn trên dầm cầu cứng Khi hệ dầm cầu dao động, điều này yêu cầu phải có khoảng không gian rộng rãi dưới gầm xe Do đó, thùng xe cần được nâng cao, dẫn đến việc trọng tâm xe cũng tăng lên, điều này không có lợi cho sự ổn định trong quá trình di chuyển của ô tô.
Hệ treo phụ thuộc gây ra bất lợi về động học khi một bên bánh xe dao động, dẫn đến sự dao động tương ứng của bánh bên kia Sự chuyển dịch của bánh này phụ thuộc vào bánh kia và ngược lại, làm giảm sự ổn định của xe trong quá trình quay vòng.
Khi áp dụng hệ thống treo kiểu mới, cần đảm bảo các thông số của nó tương đồng hoặc gần giống với hệ thống treo kiểu cũ để đáp ứng các yêu cầu về kết cấu của xe đã được quy định trong quá trình sản xuất.
5.2.2 Phân tích và đánh giá hệ thống treo độc lập cải tiến
Hệ thống treo McPherson, như mô tả trong sơ đồ cấu tạo hình 4.3, bao gồm các thành phần chính như đòn ngang dưới và giảm chấn được lắp đặt theo phương thẳng đứng Giảm chấn thực hiện chức năng của trụ xoay đứng, với một đầu được kết nối khớp cầu tại điểm B của đòn ngang và đầu còn lại gắn vào khung xe Bánh xe được liên kết chắc chắn với vỏ giảm chấn, trong khi lò xo được đặt giữa vỏ giảm chấn và trục giảm chấn.
Hình 5.3: Sơ đồ cấu tạo hệ thống Mc.Person
Dựa trên các thông số tính toán cho hệ thống treo Mc.Person, khi thay thế hệ thống treo này, thông số hình học của hệ thống treo cầu trước sẽ được điều chỉnh theo thiết kế mới.
Góc nghiêng ngang trụ quay đứng: β = 8 0
Góc nghiêng ngang bánh trước: = 1 0 30 ’ Độ võng tĩnh ft = 140 mm Độ võng động fđ = 119 mm Độ võng tĩnh khi không tải: f0t = 93.3 mm Độ cứng của hệ thống treo: C = 18092 (N/m)
Khi thay thế bằng hệ thống treo độc lập Mc.Person, các thông số cũ của xe như độ võng tĩnh, độ võng động, chiều rộng hai bánh xe và kích thước hình thang lái vẫn được giữ nguyên Hệ thống này cải thiện góc đặt bánh xe, với góc nghiêng ngang trụ quay đứng đạt 8 độ và góc nghiêng ngang bánh trước đạt 1 độ 30 phút, đáp ứng các yêu cầu của hệ thống lái Thêm vào đó, kết cấu động học của hệ thống treo độc lập giúp giảm thiểu sự ảnh hưởng của dao động giữa hai bánh xe, nhờ vào dầm cầu cắt, cho phép chúng di chuyển độc lập trong các mặt phẳng chuyển động.
Lựa chọn phương pháp cải tiến
5.3.1 Độ cứng và hệ số cản giảm chấn của hệ thống treo cải tiến.
Khi thay thế hệ thống treo nhíp phụ thuộc bằng hệ thống treo McPherson độc lập, cần thay nhíp bằng lò xo và điều chỉnh vị trí ống giảm chấn Sự thay đổi này ảnh hưởng đến độ cứng và hệ số cản giảm chấn của hệ thống treo Do đó, việc đảm bảo hệ thống treo mới có độ cứng và hệ số cản giảm chấn tương đương với hệ thống treo cũ là rất quan trọng.
Việc thay đổi động học của hệ thống treo sẽ làm thay đổi tỉ số truyền cơ cấu hướng, ảnh hưởng đến độ cứng và hệ số cản giảm chấn của hệ thống Để khôi phục các thông số này, cần điều chỉnh độ cứng và hệ số cản giảm chấn của lò xo và ống giảm chấn trong hệ thống treo Việc áp dụng các công thức tính toán đã được nghiên cứu và chứng minh là cần thiết để đạt được hiệu quả mong muốn.
TS Lâm Mai Long (2017), “ Dao động và tiếng ồn’’ ), ta sẽ đi tìm ra phương pháp thực hiện cải tiến.
5.3.2 Phần tử đàn hồi và giảm chấn
Hình 5.4: Các thông số nhíp Độ cứng của nhíp đối xứng:
C = 4nbh 3 E / λL 3 Độ cứng của nhíp không đối xứng:
Với: l0 * = 2/3 l0 chiều dài hiệu quả của dầm ngàm l1 * = l1l0 */2 l2 * = l2 – l2 */2
Độ cứng của nhíp là hằng số, phụ thuộc vào các thông số cấu tạo, cho thấy rằng đặc tính đàn hồi của nhíp mang tính tuyến tính.
Xét phần tử đàn hồi lò xo của hệ thống treo mới:
Hình 5.5: Lò xo trụ Độ cứng của lò xo: C = Gd 4 / 8nD 3
Lò xo có đặc tính đàn hồi tuyến tính, với độ cứng C là hằng số, phụ thuộc vào các thông số cấu tạo Nếu các thông số này không thay đổi, độ cứng của lò xo sẽ giữ nguyên.
Giảm chấn được áp dụng cho cả hệ thống treo cũ và mới, với hệ số cản giảm chấn của phần tử đàn hồi phụ thuộc vào các thông số cấu tạo Công thức tính hệ số này là: K = 2√ CM.
C: độ cứng của hệ thống treo
M: khối lượng được treo tính trên một bánh xe
: hệ số dập tắt chấn động (ô tô hiện nay = 0, 150, 3) Lấy = 0, 2
5.3.3 Tính toán độ cứng, hệ số cản giảm chấn và tỉ số truyền cơ cấu hướng hệ thống treo kiểu nhíp
Gọi C ’ 1, K ’ 1 là độ cứng và hệ số cản giảm chấn của hệ thống treo phụ thuộc C1,
K1 đại diện cho độ cứng và hệ số cản giảm chấn của nhíp và ống giảm chấn, trong khi ε1 là tỉ số truyền của cơ cấu hướng Đối với hệ thống treo cũ, chúng ta có thể xác định độ cứng và hệ số cản giảm chấn cụ thể.
Hình 5.6: Cơ cấu hướng hệ thống treo phụ thuộc
Khoảng cách từ vị trí đặt giảm chấn theo phương thẳng đứng đến điểm treo của thùng xe (a1) và khoảng cách từ bánh xe đến điểm treo (b1) là những yếu tố quan trọng trong thiết kế hệ thống giảm chấn Đồng thời, góc nghiêng của giảm chấn (β1) cũng ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất hoạt động của hệ thống này.
Khi lực tác dụng làm bánh xe di chuyển, nhíp sẽ phản ứng bằng cách tạo ra một lực khác, giúp giảm chấn và dao động.
Từ các thông số trên ta tính được ε1: ε1 = a b 1 1cos β1
Từ công thức tính C ’ 1 và K ’ 1 ở trên suy ra độ cứng và hệ số cản giảm chấn của hệ thống treo kiểu cũ được tính là:
K ’ 1 = ε1 2K1 = K1( a b 1 1cos β1 ) 2 Với C1, K1 phụ thuộc vào các thông số cấu tạo đã nêu ở trên.
5.3.4 Xác định tỉ số truyền cơ cấu hướng trong hệ thống treo Mc.Person và phương pháp thay đổi C và K của phần tử đàn hồi và giảm chấn
Gọi C ’ 2, K ’ 2 là độ cứng và hệ số cản giảm chấn của hệ thống dùng cho cải tiến
C2, K2 là độ cứng và hệ số cản giảm chấn của phần tử lò xo và ống giảm chấn ε2 là tỉ số truyền cơ cấu hướng, ta cũng có:
Chúng tôi đã thay thế phần tử đàn hồi nhíp bằng lò xo và tiếp tục sử dụng loại giảm chấn cũ Tuy nhiên, do vị trí lắp đặt ống giảm chấn đã thay đổi, tỷ số truyền của cơ cấu hướng cũng bị ảnh hưởng, vì vậy cần tính toán lại ε2.
Hình 5.7: Cơ cấu hướng hệ thống treo Mc.Person
Trong hệ thống Mc.Person, ống giảm chấn được lắp đặt theo phương thẳng đứng tại vị trí của trị quay thẳng đứng Lò xo được đặt lồng giữa vỏ giảm chấn và trục giảm chấn, tạo nên sự ổn định và hiệu quả cho hệ thống.
Các thông số quan trọng bao gồm: a2, là khoảng cách từ vị trí treo của giá treo dưới trên đòn ngang đến phương thẳng đứng theo góc đặt của lò xo; b2, khoảng cách từ vị trí treo của giá treo dưới đến bánh xe theo phương ngang; và β2, góc nghiêng ngang của giảm chấn (trụ quay thẳng đứng).
Với các thông số như trên ta có: ε = ( a 2.cosβ )
Từ công thức tính C2 ’ và K2 ’ ở trên suy ra:
Để thiết kế và chế tạo phần tử đàn hồi và giảm chấn mới, cần thỏa mãn điều kiện K2 = K2(a b^2 2cos β2)^2 Để đảm bảo yêu cầu, C2' phải bằng C1' và K2' phải bằng K1', tuy nhiên khi ε2 khác ε1, cần phải điều chỉnh C2 và K2 cho phù hợp.
K2 = K2 ’/ ( a b 2 2cosβ2 ) 2 Trong đó C2 ’ = C1 ’ và K2 ’ = K1 ’ với C1 ’, K1 ’ đã biết.
