Lời nói đầu
Vào đầu những năm 1930, hệ thống treo khí nén đã ra đời và đợc nghiên
cứu thử nghiệm nghiên cứu bởi hãng Firestone Tire and Rubber. Cho đến
những năm cuối của thập kỷ 30 những chiếc xe có sử dụng hệ thống treo khí
nén bắt đầu đợc sản xuất và chạy thử tuy nhiên nó vẫn cha đợc ứng dụng rộng
dãi nh hệ thống treo sử dụng bộ phận đàn hồi bằng kim loại bởi giá thành của
chúng còn khá cao. Cho đến năm 1944, những chiếc xe buýt đầu tiên sử dụng
hệ thống treo khí nén đã đợc sản xuất và đa vào sử dụng sau những nghiên cứu
hoàn thiện. Tuy nhiên, phải đến những năm đầu của thập kỉ 50, sau khoảng
thời gian dài đợc nghiên cứu và hoàn thiện mạnh mẽ, xe buýt sử dụng hệ
thống treo khí nén mới chính thức trở thành dòng xe thơng mại và đợc đa ra
trên thị trờng.
Sau những thành công của hệ thống treo khí nén sử dụng cho xe buýt, hệ
thống treo khí nén cũng đợc nghiên cứu để ứng dụng cho xe tải và thu đợc
những thành tựu đáng kể.Tiếp theo sau đó hệ thống điều khiển áp suất khí nén
cung cấp cho hệ thống treo cũng đợc nghiên cứu phát triển và hoàn thiện.
Ngày nay, với những u điểm vợt trội của mình , hệ thống treo khí nén đợc ứng
dụng rộng dãi trên tất cả các loại xe, cùng với đó là hệ thống điều khiển điện
tử cho loại hệ thóng treo này đã trở lên phổ biến trên toàn thế giới.
Tại Việt Nam, trong vài năm trở lại đây, nền kinh tế phát triển mạnh mẽ
kéo theo nhu cầu về vận chuyển và giao thông cũng có những yêu cầu phát
triển mới. Các nhà sản xuất xe buýt tại Việt Nam cũng đa ra các sản phẩm xe
buýt hai tầng sử dụng hệ thống treo khí nén nhằm tăng năng suất vận chuyển
đồng thời đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về tính tiện nghi của phơng tiện
giao thông vận tải. Tuy nhiên, các nhà sản xuất xe buýt tại Việt Nam hầu hết
chỉ nhập xe cơ sở mà cha có một nghiên cứu nào về đặc tính làm việc, quy
trình tính toán ,thiết kế cho hệ thống treo khí nén đợc đa ra tại Việt Nam.
Đề tài tốt nghiệp của em đợc hình thành nh một nhu cầu cần thiết nhằm
cung cấp cho độc giả những kiến thức chung về đặc tính làm việc, quy trình
tính toán thiết kế hệ thống treo khí nén cho xe buýt hai tầng nói riêng và trên
ô tô nói chung.
với khung xe hoặc vỏ xe theo yêu cầu dao động êm dịu, hạn chế đến mức
2
cho phép những chuyển động không muốn có khác của bánh xe (nh lắc ngang,
lắc dọc ).
* Truyền lực và mômen giữa bánh xe và khung xe : Gồm có lực thẳng
đứng ( tải trọng, phản lực ), lực dọc ( lực kéo, lực phanh, lực đẩy), lực bên (lực
ly tâm, lực gió bên, phản lực bên ) mômen chủ động, mômen phanh.
Mối liên kết giữa bánh xe với khung, vỏ xe phải là mối liên kết mềm
nhng cũng phải đảm bảo khả năng truyền lực. Quan hệ này cần có những yêu
cầu sau :
- Hệ thống treo phải phù hợp với điều kiện sử dụng theo tính năng kỹ
thuật của xe nh chạy trên đờng tốt hoặc đờng gồ ghề.
- Bánh xe có khả năng chuyển dịch trong một giới hạn không gian hạn
chế.
- Quan hệ động học của bánh xe phải hợp lý thoả mãn mục đích chính
của hệ thống treo đó là làm mềm theo phơng thẳng đứng nhng không phải phá
hỏng các quan hệ động lực học và động học của chuyển động bánh xe. Đặc
biệt là với bánh xe dẫn hớng.
- Không gây nên tải trọng lớn tại các mối liên kết với khung hoặc vỏ.
- Có độ bền cao đối với các chế độ tải trọng.
- Có độ tin cậy lớn, trong điều kiện sử dụng phải phù hợp với tính năng
kỹ thuật không gặp những h hỏng bất thờng.
1.1. Công dụng, phân loại và yêu cầu
1.1.1. Công dụng
Các bộ phận của hệ thống treo dùng để nối khung hay vỏ với các cầu
(bánh xe) ôtô và từng bộ phận thực hiện các nhiệm vụ sau :
- Bộ phận đàn hồi làm nhiệm vụ giảm nhẹ các tải trọng thẳng đứng
tác dụng từ bánh xe lên khung và ngợc lại nhằm đảm bảo độ êm dịu cần
thiết khi xe di chuyển.
- Bộ phận dẫn hớng để truyền lực dọc, ngang và mômen từ đờng lên
chuyển động (các dao động ) tần số dao động riêng cần thiết n phải do độ
võng tĩnh f
t
quyết định. Để đảm bảo độ êm dịu chuyển động thì tỉ số độ võng
tĩnh f
tt
của hệ treo trớc với f
ts
của hệ treo sau phải nằm trong giới hạn cho
phép.
- Động học của bánh xe dẫn hớng vẫn giữ đúng khi các bánh xe dẫn h-
ớng dịch chuyển trong mặt phẳng thẳng đứng.
- Đảm bảo hệ số bám trung bình của bánh xe với nền đờng.
- Dập tắt nhanh các dao động của vỏ xe và các bánh xe khi xe chuyển
động trên các địa hình khác nhau.
- Giảm tải trọng động khi ô tô chuyển động trên nền đờng xấu .
- Độ nghiêng ngang thùng xe của ôtô nhỏ: Với ôtô buýt chạy trong đờng
góc nghiêng ngang cho phép 4
0
ữ
6
0
.
1.2. lựa chọn phơng án thiết kế
Một số yêu cầu đặt ra khi thiết kế hệ thống treo cho xe buýt đó là :
4
- Xe buýt đợc sử dụng để vận chuyển hành khách đi lại với các khoảng
cách khác nhau do vậy ngời ngồi, đứng và nằm trên xe có thể phân bố không
đều dẫn đến việc phân tải cho các cầu của xe cũng khác nhau.
- Trong quá trình hoạt động của xe, hành khách lên xuống tại các điểm
+ Có khả năng tự động thay
đổi độ cứng của hệ thông treo (bằng cách thay đổi áp suất khí nén bên trong
phần tử đàn hồi hoặc diện tích làm việc hữu ích) để cho ứng với các chế độ tải
trọng khác nhau, độ võng tĩnh và tần số dao động riêng của phần đợc treo là
không đổi .
+ Giảm đợc độ cứng của hệ thông treo sẽ làm độ êm dịu chuyển động
tốt hơn. Một là giảm đợc biên độ dịch chuyển của buồng lái trong vùng có tần
số thấp, hai là đẩy đợc sự cộng hởng xuống vùng có tần số thấp hơn, giảm gia
tốc thẳng đứng của buồng lái và giảm sự dịch chuyển của vỏ và bánh xe.
+ Đờng đặc tính của hệ thống treo khí nén là phi tuyến và tăng trong cả
hành trình nén và trả, nên dù cho khối lợng phần đợc treo và phần không đợc
treo bị giới hạn do các dịch chuyển tơng đối đi nữa thì độ êm dịu của hệ thống
treo vẫn tốt.
+ Hệ thống treo khí nén còn có một u điểm nữa đó là không có ma sát
trong các phần tử đàn hồi, trọng lợng của phần tử đàn hồi bé và giảm đợc chấn
động cũng nh giảm tiếng ồn từ bánh xe lên buồng lái.
+ Khi sử dụng hệ thống treo khí nén có thể thay đổi đợc vị trí của vỏ xe
đối với mặt đờng nghĩa là thay đổi chiều cao chất tải.
+ Trọng lợng của hệ thống treo này chủ yếu là ở trọng lợng bộ phận dẫn
hớng và trang bị để cung cấp khí còn chính trọng lợng của bản thân bộ phận
đàn hồi lại rất bé.
b) Nhợc điểm
6
Hình 1.2: Hệ treo khí
nén
Nhợc điểm lớn nhất đối với hệ treo khí nén đó là khả năng dẫn hớng.
Phần tử đàn hồi là buồng khí nén không đóng vai trò vừa là đàn hồi vừa là bộ
phận dẫn hớng nh ở hệ treo cơ khí đối với nhíp lá. Khả năng truyền lực dọc và
ngang của hệ treo khí nén là rất kém. Do vậy mà phải thiết kế cơ cấu dẫn hớng
phù hợp và đảm bảo khả năng truyền lực tốt nhất.
tuy nhiên nhợc điểm đó là khó có thể thay đổi
7
Hình 1.3: Hệ treo thủy khí
đợc chiều cao trọng tâm của xe, không đem lại cảm giác thoải mái và tiện
nghi cho hành khách đi trên xe.
Hệ treo thuỷ khí đáp ứng đợc mọi yêu cầu của hệ treo cho xe buýt tuy
nhiên kết cấu phức tạp. Trong quá trình làm việc cũng đảm bảo đợc khả năng
điều chỉnh độ cao của xe nhng khi điều khiển lu lợng dòng chất lỏng có tác
dụng chậm.
Hệ treo khí nén có kết cấu buồng đàn hồi khá đơn giản và đợc sản xuất
hàng loạt theo tiêu chuẩn. Với những u điểm trên nó có thể đáp ứng mọi yêu
cầu trong vận chuyển hành khách đối với xe buýt.
Trong đồ án này em lựa chọn hệ treo khí nén để bố trí cho xe buýt hai
tầng. Hệ treo khí nén thiết kế cho cả cầu trớc và cầu sau của xe với hệ thống
điều khiển điện từ.
1.2.4. Lựa chọn sơ đồ treo
a. Hệ treo độc lập
Hệ thống treo độc lập hai bánh xe trái và phải không có quan hệ trực tiếp
với nhau. Vì vậy trong khi dịch chuyển bánh xe này trong mặt phẳng ngang,
bánh xe kia vẫn đứng nguyên. Do đó động học của bánh xe dẫn hớng giữ đúng
hơn. Hệ thống treo độc lập có thể là treo đòn ngang, đòn dọc
Hệ treo độc lập với những u điểm riêng phù hợp cho cầu dẫn hớng ở xe
con và xe du lịch. Đặc biệt có thể bố trí ở các cầu
b. Hệ thống treo phụ thuộc
Đặc trng của hệ thống treo phụ thuộc đó là dầm cầu cứng liên kết giữa
hai bánh xe. Với cầu chủ động thì toàn bộ cụm truyền lực cầu xe nằm trong
dầm cầu. ở cầu dẫn hớng thì dầm cầu làm bằng thép định hình liên kết dịch
chuyển của hai bánh xe dẫn hớng.
*) Nhợc điểm của hệ thống treo phụ thuộc:
- Khối lợng phần không đợc treo lớn. Tải trọng động xuất hiện sẽ gây nên
khả năng chịu lực ngang và lực dọc. Ta sẽ lựa chọn phơng án bố trí này cho hệ
treo phía trớc của xe .
9
Hình 1.4 . Treo trớc hỗn hợp
*) Kết cấu treo sau phụ thuộc
Dùng 2, 4 buồng đàn hồi dạng gấp và hai đòn dẫn hớng hình bình hành với
các đòn ngang bố trí tam giác, đảm bảo khả năng truyền tốt lực bên. Đối với
hệ treo sau là hệ treo cầu kép phụ thuộc ta cũng có thể bố trí theo kiểu sau :
10
Hình 1.8 . Treo sau sáu buồng
Hình 1.9 . Treo sau tám buồng
Hình 1.5 . Treo trớc Panhada
Hình1.6 . Treo sau bốn buồng
Số buồng phân bố cho mỗi cầu phụ thuộc vào tải trọng tính toán ứng với
tải trọng định mức cho phép của buồng đàn hồi và cách bố trí không gian gầm
xe.
1.3. các thông số cơ bản của xe
- Chiều dài tổng thể của xe : 14,4 (m)
- Chiều rộng tổng thể của xe: 2,5 (m)
- Chiều cao tổng thể của xe : 4,2 (m)
- Chiều dài cơ sở của xe : 7,5 (m)
- Trọng lợng của xe khi đầy tải : G =25513 (Kg)
Chơng II
Tính toán thiết kế hệ thống treo khí nén cho
xe buýt hai tầng
2.1. Cơ sở lí thuyết hệ thống treo khí nén
Hệ thống treo khí nén thực chất là hệ thống treo cơ bản với phần tử đàn
hồi là buồng đàn hồi khí nén, trong đó có môi chất là khí nén. Hệ thống treo
khí nén làm việc đảm bảo mọi yêu cầu nh đối với các hệ thống treo khác tuy
Trong đó:
- p
z
là độ chênh áp suất của buồng khí nén.
- S =
2
w
d
4
là diện tích làm việc của buồng khí nén với đờng kính d
w
.
Nếu nh d
w
thay đổi thì S cũng thay đổi, có thể viết: S = f(z).
ở trạng thái tĩnh tải trọng đặt nên buồng đàn hồi là:
F
s
= (p
s
-p
a
)S (2.2)
Trong đó : p
s
là áp suất khí nén ở trạng thái tĩnh.
Mối quan hệ của F
p
và z. đợc thể hiện qua đồ thị sau :
dV= - dS.dz hay là:
dS
dz
dV
=
Đạo hàm một lần nữa:
U
dz
dS
dz
Vd
2
2
==
ở đây:
2
2
dz
Vd
U =
( gọi là hệ số biến đổi diện tích khi thay đổi chiều cao).
a. Đặc tính tải của buồng đàn hồi
Quan hệ S = f(z), S = f(p
P
) hay V= f(z) đợc gọi là đặc tính hình học của
buồng đàn hồi.
ở trạng thái tĩnh buồng đàn hồi đợc đặc trng bởi các thông số :
Chiều cao tĩnh của buồng đàn hồi H
s
s
n
= p.V
n
(2.5)
Trong đó :
- p
s
= p
Ps
+ p
a
: áp suất tuyệt đối của khí nén ứng với chiều cao
tĩnh buồng đàn hồi.
- p = p
P
+ p
a
: áp suất tuyệt đối của khí nén ứng với chiều cao
thay đổi của buồng đàn hồi.
Thay vào công thức (2.5) và biến đổi :
p
P
=
aaps
n
s
p)pp(
V
V
thái tức thời : V= V
s
S.z.
Ta có: p
P
=
n
s
s
ss
n
s
z.SV
V
pp
V
V
=
as
n
s
n
s
pp
)z.SV(
V
S (2.7)
Trong công thức (2.7) V= f(z) (bỏ qua sự thay đổi nhỏ của S bởi sự thay đổi
của áp suất). Quan hệ này có thể biểu biễn bằng đồ thị đối với áp suất hay lực
tác dụng (p
p
= f(z)).
Quan hệ F
= f(z) gọi là đặc tính tải của buồng đàn hồi.
Hệ số mũ đa biến n phụ thuộc vào tốc độ thay đổi thể tích của buồng đàn
hồi, nhiệt độ môi trờng, tốc độ dòng khí của môi trờng.
Ta có thể giả thiết nh sau :
- Khi xe chạy trên đờng không bằng phẳng, sự thay đổi thể tích nhanh
n = 1,38 (hay 1,40). ứng với trạng thái pV
n
d
, khi chiụ tải thay đổi
là V+V
d
. Nhu vậy:
F=
Spp
VV
VV
as
n
d
ds
Hình 2.3.
Đặc tính tải của phần tử đàn hồi khí nén
Hình2. 4. Buồng thể tích phụ
Buồng thể
tích phụ
Đờng cong này biểu diễn trên hình 2.5.
Từ hình 2.5 nhận ra rằng: thể tích
phụ V
d
làm giảm thấp độ cứng của buồng đàn hồi.
b. Độ cứng của phần tử đàn hồi khí nén
Độ cứng của buồng đàn hồi có thể xác định từ đờng đặc tính tải trọng thực
nghiệm bằng cách xây dựng đờng tiếp tuyến của đờng cong F= f(z) tại điểm
khảo sát. Công thức của nó đợc tính toán tại lân cận điểm z = 0 nh trên hình vẽ
, với : C =
10
)0z(F)10z(F =+=
(2.9)
Mặt khác độ cứng của buồng đàn hồi còn đợc xác định theo lí thuyết.
Định nghĩa độ cứng nh sau: C=
dF
dz
ữ
(N/m).
Nếu coi: F = S.p
P
, với sự thay đổi thể tích của buồng đàn hồi dẫn tới thay
đổi áp suất khí nén và diện tích truyền tải trọng thì:
s
=
s
2
s
V
S.p.n
(2.11)
Trong đó:
- p
s
là áp suât tuyệt đối tơng ứng với chiều cao tĩnh của buồng đàn
hồi (H
s
).
Với tải trọng tĩnh đặt nên buồng đàn hồi : F = F
s
=
.
ps
p S
= (p
s
-p
a
)S Độ cứng ở trạng thái tĩnh là:
C
s
s
V
p
p
=
s
az
as
V
S.pF
S.pF
+
+
Độ cứng của phần tử đàn hồi khi đó :
C
z
=
V
S)SpF.(n
az
+
=
2
.( . )
( . ).
z a
s a s
n F p S S
F p S V
dao động riêng ở tại một vị trí nhất định không phụ thuộc vào tải trọng đặt lên
buồng đàn hồi.
Tần số dao động riêng ở trạng thái làm việc:
oz
=
z
z
m
C
=
z
z
F
g.C
(2.16)
Tỷ số của tần số dao động riêng của hệ thống không có giảm chấn khi đó
sẽ là:
s
=
sz
zs
F.C
F.C
=
.
.
s a
S x
Tỷ số của tần số dao động riêng của hệ thống không có giảm chấn sẽ là:
19
s
=
sz
zs
F.C
F.C
=
. . .
. . .
z s s a
s z z a
F F F p S
F F F p S
+
+
1 (2.18)
Các quan hệ trên đúng trong trờng hợp bộ phận đàn hồi đặt trực tiếp lên
bánh xe.
d. So sánh buồng khí nén và nhíp lá
Bộ đàn hồi khí nén thờng dùng trên xe buýt (có chiều cao ổn định thuận lợi
cho việc lên xuống ôtô và nâng cao tiện nghi cho hành khách). Sau này hệ
thống này còn dùng cho cả xe tải, đoàn xe. Trên xe con không dùng phơng
pháp này vì không có nguồn khí nén, ngoại trừ truờng hợp của xe Renault
Vesta 2. So sánh chung thông qua đồ thị:
Kiểu F
max
kN
F kN
p=0,5Mpa
D
max
Mm
f
s
mm
Nén
mm
Trả
mm
V
dm
3
p
max/min
Mpa
S
dm
3
B70 30 24 320 245 80 80 7,6 4,8
Kiểu
F
max
(kN)
B107 20 14,7 260 265 100 80 5,2 0,7/0,13 3,0
B114 31,5 24,5 310 285 140 100 10,5 0,65/0,1 4,7
B115 35 25 325 260 100 100 9,0 5,0
B119 30 24 300 260 100 100 6,7 4,8
B120 32 32 360 310 120 120 16,7 0,5/0,1 6,4
B121 28 20 300 285 1`20 100 9,4 0,7/0,1 4,0
B143 32 32 360 310 125 135 14,4 0,5/0,03 6,4
B150 35 31 370 405 180 180 20,0 6,2
B152 28,5 20 300 345 200 125 11,0 0,7/0,03 4,0
B153 31,5 31,5 360 375 300 130 18,5 0,5/0,03 6,3
2.2. Thiết kế tính toán hệ treo trớc
2.2.1. Tính toán các thông số sơ đồ hệ treo trớc
a. Chọn buồng khí nén cho hệ treo trớc
Buồng khí nén (balông) đợc sản xuất hàng loạt theo tiêu chuẩn. Với phạm
vi của đồ án tốt nghiệp ta không thiết kế tính toán buồng khí nén mới mà ta
chọn loại buồng khí nén phù hợp đảm bảo yêu cầu kỹ thuật của hệ thống treo.
Tải trọng phân bố lên cầu trớc : G
t
= 53400(N)
Căn cứ vào bảng chọn buồng khí nén tiêu chuẩn đã trình bày ở
phần trên ta chọn buồng khí nén sau :
Kí hiệu: B70 ( loại buồng gấp) với các thông số :
F
max
= 30000(N) ; D
max
= 0,320(m) ;
V = 7,6 .10
-3
(m
ữ
0,25 (m).
Nói chung f
t
không bé hơn 0,1- 0,2 (m) đối với xe buýt, lấy f
t
= 0,245(m). Để
đảm bảo tính êm dịu khi chuyển động thì tỉ số độ võng tĩnh f
ts
của hệ thống
treo sau và độ võng tĩnh f
tt
của hệ thống treo trớc phải nằm trong giới hạn (với
ôtô buýt)
0,8 1,2
ts
tt
f
f
=
.
Tải trọng tĩnh tác dụng lên đầu trục bánh xe Z
t
ở cầu trớc:
Z
t
=
2
t
G
t
= 0,32.0,245 = 0,0784(m)
Hành trình tổng cộng của bánh xe:
f
= f
t
+f
đ
= 0,3234(m)
c. Tính chọn giảm chấn cho hệ treo trớc
Xác định hệ số cản trung bình của giảm chấn tại bánh xe ở cầu trớc k
k=
mC
t
Trong đó:
-
: Hệ số dập tắt dao động. Hệ số dập tắt dao động thể hiện mối tơng quan
giữa hai đại lợng đặc trng cho hệ thống treo là hệ số cản của giảm chấn và hệ
số cứng của bộ phận đàn hồi. Ta lấy
= 0,30.
- m: Khối lợng phần treo trên một bánh xe:
m =
.9,81
t bx
Z m
f
= 0,3234(m)
Xác định hệ số cản khi trả và khi nén :
Ta có: k
n
+ k
t
= 2k
g/c
Trong đó:
- k
t
: Hệ số cản của giảm chấn trong hành trình nén.
- k
n
: Hệ số cản của giảm chấn trong hành trình trả.
Lấy k
t
=5k
n
Vậy : k
n
=
1
3
k
g/c
= 5223,03(Ns/m) ; k
t
= 26115,17 (Ns/m)
dọc và ngang. Đòn phía dới chịu tải trọng dọc.
Sơ đồ nh sau :
24
1: Buồng khí nén
2: Thanh ổn định phía trên
3: Thanh ổn định phía trên
4: Cầu tr ớc
5: Giảm chấn
2.2.2. Chế độ tải trọng tính toán phần tử dẫn hớng
a. Trờng hợp lực phanh cực đại
Trên sơ đồ phân tích lực, tồn tại lực Z,X nhng tính với giá trị cực đại
(Vắng mặt Y). Trong đó :
- Z: Phản lực theo phơng thẳng đứng tác dụng lên bánh xe
2
.
.gJ
p
=
: Gia tốc phanh.
- g = 9,81(m/s
2
): Gia tốc trọng trờng .
-
= 0,80 : Hệ số bám dọc( đờng nhựa bê tông )
- h
g
: Chiều cao trọng tâm xe h
g
= 1,72(m).
- a : Khoảng cách từ trọng tâm xe đến cầu trớc.
Kết quả tính toán đợc a = 1,56(m).
25
Hình 2.13: Sơ đồ treo trớc
Copyright: Tài liệu đại học ©