Đồ án tính toán thiết kế hệ thống treo cho xe con - SV Nguyễn Hiếu Tùng

Tổng hợp đồ án thiết kế tính toán ô tô chuyên sâu với đề tài thiết kế hệ thống treo cho xe con. Cung cấp đầy đủ công thức tính toán và bản vẽ kỹ thuật.

• Tác giả: Nguyễn Hiếu Tùng
• Người hướng dẫn: Đồng Minh Tuấn
• Chuyên ngành: Kỹ thuật ô tô
• Đề tài: Thiết kế hệ thống treo cho xe con
• Loại tài liệu: Đồ án
• Địa điểm: Hưng Yên

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống treo ô tô xe con

Hệ thống treo ô tô xe con đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao tính an toàn, độ êm dịu và khả năng vận hành của xe. Hệ thống này bao gồm các bộ phận đàn hồi, dẫn hướng và giảm chấn, phối hợp hoạt động để hấp thụ rung động từ mặt đường. Lò xo trụ, nhíp hoặc thanh xoắn thường được sử dụng làm phần tử đàn hồi chính do khả năng chịu tải trọng cao và tuổi thọ bền vững. Bộ dẫn hướng (đòn ngang, đứng) đảm bảo bánh xe di chuyển theo quỹ đạo mong muốn. Bộ giảm chấn thủy lực hoặc khí nén làm tắt nhanh dao động sau khi lò xo bị nén hoặc giãn. Tùy thuộc vào cấu trúc, hệ thống treo chia thành độc lập (mỗi bánh xe có cơ cấu riêng) hoặc phụ thuộc (cầu xe chung).

1.1. Chức năng và phân loại hệ thống treo

Hệ thống treo có ba chức năng chính: hấp thụ rung động, dẫn hướng bánh xe và duy trì sự ổn định chuyển động. Phân loại theo cấu trúc gồm hệ thống treo độc lập (MacPherson, đa liên kết) và phụ thuộc (nhíp lá, trục cầu). Hệ thống độc lập cho phép bánh xe di chuyển tự do, cải thiện độ bám đường và thoải mái khi vào cua. Hệ thống phụ thuộc có cấu trúc đơn giản nhưng hạn chế khả năng điều khiển. Lựa chọn loại hệ thống phụ thuộc vào mục đích sử dụng: xe thể thao ưu tiên độc lập, xe tải thường dùng phụ thuộc.

1.2. Yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống treo

Hệ thống treo phải đáp ứng các yêu cầu khắt khe về độ cứng, khả năng chịu tải và tuổi thọ. Độ cứng lò xo được tính toán sao cho tần số dao động tự nhiên nằm trong khoảng 1-2 Hz, đảm bảo sự thoải mái cho hành khách. Khả năng chịu tải phải vượt quá trọng lượng toàn tải của xe. Độ bền mỏi của vật liệu (thép 55Si2Mn, 60Si2CrA) được kiểm tra qua các thí nghiệm va đập và rung động. Độ ồn hoạt động dưới 70 dB. Ngoài ra, hệ thống phải có khả năng chống ăn mòn và chịu nhiệt độ khắc nghiệt từ -40°C đến 80°C.

II. Phân tích các vấn đề trong thiết kế hệ thống treo xe con

Thiết kế hệ thống treo đối mặt nhiều thách thức kỹ thuật như cân bằng giữa độ cứng và sự thoải mái, tối ưu hóa khối lượng và chi phí sản xuất. Việc lựa chọn vật liệu ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và tuổi thọ. Thép hợp kim có độ bền cao nhưng chi phí đắt đỏ, trong khi nhíp lá rẻ hơn nhưng khối lượng lớn. Tính toán động lực học phức tạp khi xe chuyển động trên địa hình gồ ghề. Sai lệch trong thiết kế dẫn hướng gây ra hiện tượng trượt ngang, ảnh hưởng đến an toàn. Bộ giảm chấn kém hiệu quả dẫn đến rung lắc kéo dài, gây mệt mỏi cho người lái. Áp lực cạnh tranh buộc nhà sản xuất phải giảm chi phí nhưng vẫn đảm bảo tiêu chuẩn an toàn.

2.1. Ảnh hưởng của khối lượng phần treo

Khối lượng phần treo (bánh xe, phanh, hệ thống treo) ảnh hưởng trực tiếp đến tần số dao động tự nhiên. Khối lượng lớn làm giảm tần số, gây cảm giác ù lì khi xe di chuyển. Tỷ lệ khối lượng phần treo/khối lượng toàn xe lý tưởng là 10-15%. Việc tối ưu khối lượng thông qua sử dụng vật liệu nhẹ (nhôm, hợp kim titan) giúp cải thiện hiệu suất nhưng chi phí tăng 30-50%. Phân bố khối lượng không đều giữa cầu trước sau gây mất cân bằng động lực học, dẫn đến hiện tượng lắc lư khi vào cua.

2.2. Độ cứng lò xo và dao động không mong muốn

Độ cứng lò xo (k) quyết định tần số dao động tự nhiên theo công thức f = √(k/m)/2π. Lò xo quá cứng (f > 2 Hz) tạo cảm giác gồ ghề, trong khi quá mềm (f < 1 Hz) gây lắc lư nguy hiểm. Tính toán phải cân bằng giữa độ cứng tĩnh (khi xe đứng yên) và độ cứng động (khi xe chuyển động). Hành trình tĩnh (δ = mg/k) phải đảm bảo đủ không gian cho dao động. Lò xo trụ có ưu điểm gọn nhẹ nhưng yêu cầu hệ thống dẫn hướng phức tạp. Nhíp lá đơn giản nhưng khối lượng lớn và ma sát nội tại gây mất năng lượng.

III. Phương pháp tính toán thiết kế hệ thống treo

Tính toán thiết kế hệ thống treo dựa trên các nguyên lý cơ học và tiêu chuẩn kỹ thuật. Bước đầu tiên là xác định khối lượng phần treo phân bố lên cầu trước sau, thông qua cân bằng lực. Độ cứng lò xo được tính toán dựa trên tần số dao động mong muốn và hành trình tĩnh. Hệ số dập tắt dao động (c) của bộ giảm chấn xác định bằng phương pháp thử nghiệm hoặc công thức lý thuyết. Tiếp theo, kiểm tra độ bền mỏi của lò xo thông qua thí nghiệm rung động. Phần tử dẫn hướng được thiết kế sao cho giảm thiểu độ lệch bánh xe khi chịu tải ngang. Cuối cùng, mô phỏng động lực học bằng phần mềm (ADAMS, MATLAB) xác nhận hiệu suất trước khi chế tạo mẫu.

3.1. Xác định thông số động lực học

Thông số động lực học quan trọng bao gồm tần số dao động riêng (ωn), hệ số dập tắt (ζ) và biên độ dao động (A). Tần số dao động riêng xác định bằng công thức ωn = √(k/m), trong đó k là độ cứng lò xo, m là khối lượng phần treo. Hệ số dập tắt ζ = c/(2√(km)) ảnh hưởng đến thời gian tắt dao động. Biên độ dao động A = X0e^(-ζωn t) giảm dần theo thời gian. Tiêu chuẩn ISO 2631 quy định giới hạn rung động cho phép dưới 0.315 m/s² đối với xe con. Thông số được tối ưu thông qua điều chỉnh độ cứng lò xo, hệ số dập tắt và khối lượng phần treo.

3.2. Kiểm tra độ bền và ổn định

Độ bền được kiểm tra thông qua phân tích ứng suất bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM). Lò xo trụ chịu ứng suất xoắn và uốn, với giới hạn bền tối thiểu 1200 MPa. Bộ giảm chấn chịu áp suất thủy lực lên đến 15 MPa, yêu cầu vật liệu chịu mài mòn (thép hợp kim crom-vanadi). Độ ổn định được đánh giá qua thí nghiệm lật xe (rollover test) và kiểm tra góc lệch bánh xe dưới tải ngang. Tiêu chuẩn FMVSS 126 quy định hệ thống treo phải chịu được lực ngang gấp 1.5 lần trọng lượng xe mà không bị hư hỏng.

IV. Kết luận và ứng dụng trong thực tế

Đồ án thiết kế hệ thống treo xe con đã giải quyết thành công các yêu cầu kỹ thuật về độ bền, thoải mái và an toàn. Kết quả tính toán cho thấy hệ thống treo độc lập MacPherson với lò xo trụ đạt hiệu suất tối ưu, cân bằng giữa độ cứng và sự thoải mái. Việc sử dụng vật liệu hợp kim nhẹ giảm khối lượng 12% so với thiết kế truyền thống. Bộ giảm chấn thủy lực được tối ưu hóa về hệ số dập tắt, giảm thời gian tắt dao động xuống còn 0.8 giây. Ứng dụng thực tế cho thấy xe có độ bám đường tốt hơn 15%, giảm rung lắc khi vào cua gấp. Kết quả thí nghiệm vượt trội so với tiêu chuẩn JIS D 4031 về độ thoải mái.

4.1. Đánh giá hiệu quả thiết kế

Hiệu quả thiết kế được đánh giá thông qua các chỉ số: độ cứng lò xo 25 N/mm (tần số dao động 1.2 Hz), hệ số dập tắt 0.35 (thời gian tắt dao động 1.1 giây), và khối lượng phần treo 45 kg. So sánh với thiết kế cũ, hệ thống mới giảm rung động 22% khi xe chạy trên đường gồ ghề. Độ bền mỏi đạt 10^6 chu kỳ, vượt 20% so với yêu cầu tiêu chuẩn. Chi phí sản xuất giảm 8% nhờ tối ưu hóa vật liệu. Độ ồn hoạt động giảm xuống 65 dB, cải thiện đáng kể trải nghiệm người lái.

4.2. Hướng phát triển tương lai

Hướng phát triển tập trung vào tích hợp hệ thống treo thông minh (semi-active suspension) sử dụng cảm biến và bộ điều khiển điện tử. Hệ thống này tự động điều chỉnh độ cứng lò xo và hệ số dập tắt dựa trên điều kiện mặt đường, tối ưu hóa sự thoải mái và an toàn. Vật liệu composite (sợi carbon) sẽ thay thế thép truyền thống, giảm khối lượng 30% và tăng độ bền 40%. Tích hợp trí tuệ nhân tạo trong giám sát tình trạng hệ thống giúp phát hiện sớm hư hỏng. Các tiêu chuẩn an toàn mới (Euro NCAP 2025) sẽ thúc đẩy đổi mới trong thiết kế hệ thống treo.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TREO 1. Sự hình thành và phát triển. - Xã hội loài người khi bắt đầu xuất hiện những phương tiện vận tải đầu tiên đã quan tâm đến vấn đề dao động của chúng.

Ngay từ khi xuất hiện những phương tiện giao thông là xe kéo, ban đầu người ta nối cứng bánh xe với khung xe. Việc di chuyển chỉ thích hợp cho việc thồ hàng mà không tiện cho người ngồi trên xe. Về sau con người tìm ra xăm lốp có thể giảm bớt được các chấn động trên xe. Khi khoa học kỹ thuật phát triển, người ta đã xây dựng thành công mô hình toán của các quá trình dao động trên ôtô.

Để từ đó, thiết kế các cơ cấu liên kết mềm và dập tắt các chấn động từ mặt đường lên xe trong quá trình chuyển động. Các cơ cấu đó hình thành lên hệ thống treo của ôtô. Chức năng, phân loại và yêu cầu của hệ thống treo 1. Chức năng của hệ thống treo - Hệ thống treo dùng để nối đàn hồi khung vỏ ô tô với bánh xe, có tác dụng làm êm dịu cho quá trình chuyển động, đảm bảo đúng động học bánh xe (bánh xe dao động trong mặt phẳng thẳng đứng) và truyền lực giữa khung vỏ với bánh xe.

Xe chuyển động có êm dịu hay không phụ thuộc chủ yếu vào chất lượng của hệ thống treo. - Để đảm bảo chức năng đó hệ thống treo thường có 3 bộ phận chủ yếu: + Bộ phận hướng. + Bộ phận đàn hồi. + Bộ phận giảm chấn.2 Phân loại hệ thống treo - Phân loại theo dạng bộ phận dẫn hướng: + Hệ thống treo phụ thuộc: là hệ thống treo mà bánh xe bên trái và bên phải được liên kết với nhau bằng dầm cứng (liên kết dầm cầu liền), cho nên khi một bánh xe bị chuyển dịch (trong mặt phẳng ngang hoặc thẳng đứng) thì bánh xe bên kia cũng bị dịch SVTH: NGUYỄN HIẾU TÙNG GVHD: ĐỒNG MINH TUẤN Trang 6 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ TÍNH TOÁN Ô TÔ chuyển.

Ưu điểm của hệ thống treo phụ thuộc là cấu tạo đơn giản, rẻ tiền, và bảo đảm độ êm dịu chuyển động cần thiết cho các xe có tốc độ chuyển động không cao lắm. Nếu ở hệ thống treo phụ thuộc có phần tử đàn hồi là nhíp thì nó làm được cả nhiệm vụ của bộ phận dẫn hướng. + Hệ thống treo độc lập: là hệ thống treo mà bánh xe bên phải và bánh xe bên trái không có liên kết cứng. Do đó sự dịch chuyển của một bánh xe không gây nên sự dịch chuyển của bánh xe kia.

Tùy theo mặt phẳng dịch chuyển của bánh xe mà người ta phân ra hệ thống treo độc lập có sự dịch chuyển bánh xe trong mặt phẳng ngang, trong mặt phẳng dọc và đồng thời trong cả hai mặt phẳng dọc và ngang. Hệ thống treo độc lập chỉ sử dụng ở những xe có kết cấu rời, có độ êm dịu của cả xe cao, tuy nhiên kết cấu của bộ phận hướng phức tạp, giá thành đắt. - Theo phần tử đàn hồi: + Loại kim loại: Nhíp lá, lò xo xoắn, thanh xoắn. + Loại cao su: Chịu nén hoặc chịu xoắn.

+ Loại khí nén và thủy khí. - Theo phương pháp dập tắt dao động: + Loại giảm chấn thủy lực: Tác dụng một chiều và hai chiều. + Loại giảm chấn bằng ma sát cơ: Gồm ma sát trong bộ phận đàn hồi và trong bộ phận dẫn hướng. Yêu cầu đối với hệ thống treo - Đảm bảo nối mềm phù hợp với tính êm dịu chuyển động yêu cầu tức là hệ thống có tần số dao động riêng nằm trong giới hạn (60 đến 120) lần/phút.

- Giảm tối thiểu va đập cứng, hạn chế xung lực tác dụng từ bánh xe lên khung. - Đảm bảo hệ số bám trung bình của các bánh xe với nền đường. - Dập tắt nhanh dao động của thân xe khi đi trên đường. - Trọng lượng phần không treo phải nhỏ.

SVTH: NGUYỄN HIẾU TÙNG GVHD: ĐỒNG MINH TUẤN Trang 7 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ TÍNH TOÁN Ô TÔ - Hạn chế đến mức nhiều nhất các chuyển động theo phương không mong muốn, nhất là ở các bánh xe dẫn hướng, nhằm đảm bảo tính điều khiển của ôtô. - Nghiêng ngang thùng xe nhỏ: ôtô con:6° đến 8°; ôtô khách 6° đến 12°; ôtô tải 6° đến 12°. - Tại các vị trí liên kết với khung vỏ không gây nên tải trọng lớn đảm bảo tuổi thọ của các liên kết. - Hệ thống treo phải phù hợp với điều kiện sử dụng theo tính năng kĩ thuật của xe như chạy được trên nhiều địa hình khác nhau.

- Bánh xe có khả năng chuyển dịch trong một giới hạn không gian hạn chế. - Quan hệ động học của bánh xe phải hợp thỏa mãn mục đích chính của hệ thống treo là làm mềm theo phương thẳng đứng nhưng không phá hỏng các quan hệ động lực học và động học của chuyển động bánh xe. - Có độ bền cao, độ tin cậy lớn trong điều kiện sử dụng phù hợp với tính năng kỹ thuật, không gặp hư hỏng bất thường. Nguyên lý làm việc chung của hệ thống treo 1.1 Nguyên lí làm việc của hệ thống treo phụ thuộc Khi ô tô chạy trên đường do mặt đường không bằng phẳng làm cho khung xe dao động theo phương thẳng đứng (nhờ bộ phận dẫn hướng của xe).

Bộ phận đàn hồi (nhíp lá), bộ phận giảm chấn (giảm xóc) được bắt với khung xe nên khi khung xe dao động làm cho hai bộ phận này dao động theo. Khi đó sẽ có sự chuyển hóa năng lượng từ cơ năng sang nhiệt năng vì vậy dao động sẽ tắt dần. - Bộ phận đàn hồi (nhíp lá): do các lá nhíp được ép sát vào nhau nhờ gông nên khi nhíp dao động sẽ sinh ra ma sát giữa các lá nhíp. Làm cho xe vừa chuyển động êm dịu và đao động cũng được rập tắt từ từ.

SVTH: NGUYỄN HIẾU TÙNG GVHD: ĐỒNG MINH TUẤN Trang 8 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ TÍNH TOÁN Ô TÔ - Bộ phận giảm chấn (giảm xóc): Là bộ phận hấp thụ năng lượng cơ học giữa bánh xe và thân xe. Ngày nay thường sử dung loại giảm chấn thủy lực có tác dụng hai chiều trả và nén. Ở hành trình nén của giảm chấn (bánh xe dịch chuyển đến gần khung xe) giảm chấn giảm bớt xung lực va đập truyền từ bánh xe lên khung. Ở hành trình trả (bánh xe dịch chuyển ra xa khung) giảm chấn giảm bớt xung lực va đập của bánh xe trên nền đường, tạo điều kiện đặt “êm” bánh xe trên nền đường và giảm bớt phản lực truyền ngược từ mặt đường tác dụng vào thân xe.

- Thanh ổn định: Khi xe chuyển động trên nền đường không bằng phẳng hoặc quay vòng, dười tác dụng của lực li tâm hoặc độ nhiêng của khung xe, phản lực thẳng đứng của hai bánh xe trên một cầu thay đổi dẫn tới tăng độ nghiêng của thùng xe và làm xấu khả năng truyền lực dọc lực bên của bánh xe với mặt đường. Nhờ thanh ổn định sẽ san đều phản lực thẳng đứng ở hai bánh xe giúp cho xe chuyển động ổn định hơn. Ngoài ra xe còn có bộ phận đòn truyền lực có tác dụng truyền một phần tải trọng của khung xe xuồng cầu. Nguyên lý làm việc của hệ thống treo độc lập Toàn bộ hệ thống treo trước đặt trên giá treo nhằm tạo thuận lợi cho việc lắp ráp.

Các đòn ngang nối với giá treo nhờ các khớp trụ đặt nghiêng vào trong xe. Trong lò xo trụ có ụ cao su hạn chế hành trình. Giảm chấn đạt tại đòn ngang trên nhắm giảm tải cho đòn ngang dưới. Thanh ổn định đặt ở trước cầu xe và nối với hệ của hệ treo bằng đòn thẳng đứng qua các đệm cao su.

Kết cấu này làm giảm ma sát tại đầu thanh ổn định mà vẫn cho phép đầu ngoài của thanh ổn định di chuyển tự do. Khi xe chuyển động. Do mặt đường không bằng phẳng làm cho khung xe dao động theo phương thẳng đứng. Nhờ có giảm chấn (giảm xóc) và bộ phận đàn hồi (lò xo) dao động sẽ nhanh chóng được rập tắt nhờ có sự chuyển hóa năng lượng từ cơ năng thành nhiệt năng.

Thanh ổn định: Khi xe chuyển động trên nền đường không bằng phẳng hoặc quay vòng, dưới tác dụng của lực li tâm hoặc độ nhiêng của khung xe, phản lực thẳng đứng của SVTH: NGUYỄN HIẾU TÙNG GVHD: ĐỒNG MINH TUẤN Trang 9 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ TÍNH TOÁN Ô TÔ hai bánh xe trên một cầu thay đổi dẫn tới tăng độ nghiêng của thùng xe và làm xấu khả năng truyền lực dọc lực bên của bánh xe với mặt đường. Nhờ thanh ổn định sẽ san đều phản lực thẳng đứng ở hai bánh xe giúp cho xe chuyển động ổn định hơn. Hệ thống treo MAC PERSON Hệ thống treo Mac person là một loại hệ thống treo với nhiều ưu điểm, bằng việc cải tiến nhược điểm lắp ráp của hệ thống treo cũ khi giảm số điểm gắn với khung xe từ 4 điểm (2 thanh đòn hình tam giác nằm song song với nhau, liên kết qua thanh nối) xuống còn 2 điểm với ống nhún là phần dẫn hướng của hệ thống chỉ còn một thanh đòn ngang dưới gắn với trục bánh xe, nó tạo ra sự đơn giản hóa của hệ thống treo đó là: Chỉ có thanh đỡ dưới, trụ chống mâm bánh, giảm chấn, lò xo.,vì vậy giá thành sản xuất rẻ, khoang động cơ của loại xe dẫn động cầu trước được giảm nhẹ và giải phóng không gian động cơ. Hình 1: Sơ đồ hệ thống treo Mac person Hệ thống treo Mac person phát triển mạnh khi kết cấu khung xe liên khối ngày càng được sử dụng rộng hơn.

Giảm xóc kiểu mới bỏ thanh đòn thay bằng lò xo cùng ống nhún, gắn với khung xe qua đệm cao su. Thay cho thanh ống ngang, người ta quay lại sử SVTH: NGUYỄN HIẾU TÙNG GVHD: ĐỒNG MINH TUẤN Trang 10 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ TÍNH TOÁN Ô TÔ dụng thanh đòn hình tam giác có hai điểm tỳ, lò xo được đặt lệch đi so với ống nhún và nghiêng vào phía trong, còn những cao su giảm chấn ở khớp tiếp xúc khung được giữ nguyên. Những thay đổi này làm thay đổi đáng kể ma sát và độ mài mòn trong ống. Ngày nay hệ thống treo Mac person không chỉ được sử dụng ở phía trước mà còn sử dụng treo độc lập, đa liên kết ở phía sau với nhiều thanh liên kết điểm khác biệt là bánh sau không dẫn động nên góc đặt ống nhún thẳng đứng chứ không chụm như giảm xóc trước và thanh chống ngang được gia cố chịu lực.

*Mối quan hệ động học của hệ treo Mc.Pherson: Trong hệ thống treo nói chung, và hệ treo của cầu dẫn hướng nói riêng các góc đặt bánh xe có một ý nghĩa vô cùng quan trọng.