Thiết kế hệ thống treo Toyota Innova thiết kế hệ thống phanh lái treo

Đồ án tốt nghiệp là một điều kiện cần để các sinh viên sau khi hoàn thành khóa học có thể tốt nghiệp. Vào học kỳ cuối, những sinh viên đủ điều kiện sẽ được làm đồ án tốt nghiệp. Việc thực hiện đề tài tốt nghiệp là cơ hội để sinh viên tổng hợp kiến thức, thể hiện khả năng, tìm hiểu thực tế và trau dồi thêm những ký năng cần thiết trước khí ra trường.

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ HỆ THỐNG TREO TOYOTA INNOVA THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHANH LÁI TREO

Ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ Chuyên ngành: CƠ KHÍ Ô TÔ

Giảng viên hướng dẫn : Nguyễn Văn Thắng Sinh viên thực hiện : Nguyễn Đỗ Anh Khoa MSSV: 17H1080015 Lớp: CO17CLCA

TP Hồ Chí Minh, 2023

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ HỆ THỐNG TREO TOYOTA INNOVA THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHANH LÁI TREO

Ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ Chuyên ngành: CƠ KHÍ Ô TÔ

Giảng viên hướng dẫn : Nguyễn Văn Thắng Sinh viên thực hiện : Nguyễn Đỗ Anh Khoa MSSV: 17H1080015 Lớp: CO17CLCA

TP Hồ Chí Minh, 2023

3.2.1 Thiết kế giảm chấn trước: 20

3.2.2 Thiết kế giảm chấn sau: 29

4.4 Các bước tiến hành hoàn thiê ̣n mô hình hê ̣ thống phanh lái treo 39

4.5 Qua mô hình thực tế thấy được rõ hơn cấu ta ̣o hê ̣ thống phanh lái treo: 43

4.5.1 Hệ thống treo: 43

4.5.2 Hệ thống phanh: 47

4.5.3 Hệ thống lái: 48

CHƯƠNG 1: KẾT CẤU, NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CÁC LOẠI HỆ THỐNG TREO

Hệ thống treo là bộ phận gắn kết khung ô tô với các cầu xe, được đặt ở vị trí phía trên và phía dưới hai cầu xe, hỗ trợ nâng đỡ và chịu tải trọng xe, giúp phân bố đều trọng lượng của xe lên 4 bánh xe, giúp xe vận hành êm ái và ổn định khi qua các địa hình gập ghềnh hoặc trong lúc chuyển hướng Hệ thống này còn đóng vai trò quan trọng trong việc truyền lực và mô-men từ bánh xe lên đến khung hoặc vỏ xe, giúp xe vận hành êm ái và ổn định Ngoài ra, hệ thống treo còn giúp giàm bớt sự rung lắc, dao động cho người ngồi trên xe

Hệ thống treo được cấu tạo từ 3 thành phần sau:

Bộ phận đàn hồi: Ngày nay bộ phận đàn hồi khá đa dạng như: Lá nhíp, lò xo, thanh xoắn hoặc khí nén Bộ phận này có tác dụng là hấp thụ lực theo phương thẳng đứng của mặt đường hướng lên khung xe, đảm bảo xe độ êm khi vận hành Ngoài ra, bộ phận đàn hồi còn nâng đỡ toàn bộ trọng lượng của xe.

Bộ phận giảm chấn (giàm xóc hoặc phuộc): Có 2 loại giảm chấn: giảm chấn ma sát (thông qua quá trình ma sát giữa các lá nhíp) và giảm chấn thủy lực (nhờ lực ma sát giữa lớp chất lỏng) Nhiệm vụ của bộ phận giảm chấn là hấp thụ dao động của thân và bánh xe, nhằm ổn định thân xe, giúp bánh xe bám đường tốt.

Bộ phận dẫn hướng: Có 2 loại thông dụng (Nhíp đối với xe tải, tay đòn với xe con) Nhiệm vụ của bộ phận này là tiếp nhận và truyền lực giữa bánh xe và khung xe, xác định tính chất chuyển động của bánh xe với khung xe Đảm bảo xe di chuyển đầm, ổn định, êm

1.1 Hệ thống treo độc lập:

Hình 1.1 Hệ thống treo độc lập

Hệ thống treo độc lập là hệ thống mà trong đó các bánh xe không kết nối với nhau chung một hệ thống treo, mà sẽ gắn độc lập với nhau Vì vậy, khi xe chuyển động mỗi bánh xe di chuyển sẽ không phụ thuộc vào nhau mà hoàn toàn độc lập chuyển động

Vì hệ thống treo độc lập phức tạp nên sẽ chia thành các loại như sau theo bộ phận đàn hồi và bộ phận giảm chấn:

Treo MacPherson (1 càng chữ A):

Hình 1.2 Hệ thống treo MacPherson

Bao gồm 3 bộ phận cơ bản là: Giảm chấn thủy lực, lò xo và cánh tay điều hướng, Ở hệ thống treo cũ được gắn vào khung xe tại 4 điểm thì đối với hệ thống MacPherson cần 2 điểm gắn Bộ phận ống nhún là phần dẫn hướng của hệ thống chỉ còn một thanh đòn ngang dưới gắn với trục bánh xe

Với thiết kế đơn giản, ít chi tiết hơn, MacPherson giúp đẩy nhanh quá trình lắp ráp, hạ giá thành sản xuất, giảm nhẹ và tạo thêm không gian cho khoang động cơ vốn rất chật hẹp của xe dẫn động cầu trước, đồng thời giúp cho việc sửa chữa, bảo dưỡng đơn giản và tiết kiệm hơn Vì vậy đây loại hệ thống treo phổ biến nhất trên các xe ô tô

Ưu điểm:

Thiết kế đơn giản so với những loại hệ thống treo độc lập khác nên khá phổ biến hiện nay

Ít chi tiết nên trọng lượng nhẹ, giúp mức tiêu hao năng lượng tối ưu hơn

Vì tập trung vào hoạt động của bánh xe trước nên giảm được khối lượng đầu xe, đồng thời giúp khoang lái có thêm không gian

Tiết kiệm được diện tích cho các thành phần truyền động khác Phù hợp với những xe dẫn động cầu trước

Độ ma sát và mài mòn của bộ phận giảm chấn được giảm, không cần bảo trì nhiều Hệ thống treo MacPherson sử dụng thanh chống là bộ phận quan trọng nhất trong cấu trúc chống xóc khi va chạm

Nhược điểm:

Bộ phận nhún hoạt động thẳng đứng khiến đầu tay đòn di chuyển dạng vòng cung nên gây ra tình trạng bánh xe lắc ngang so với mặt đường, thân xe hoạt động không ổn

định

Treo tay đòn kép (2 càng chữ A):

Hình 1.3 Treo tay đòn kép

Khác với hệ thống treo MacPherson là bộ phận điều hướng gồm 2 thanh dẫn hướng với thanh ở trên có chiều dài ngắn hơn thanh ở dưới

Ưu điểm của hệ thống treo tay đòn kép là khi xe vào cua mượt hơn nhờ góc đặt bánh, và hạn chế được tình trạng lắc ngang của bánh xe với mặt đường, tối ưu hóa quá trình vận hành tùy vào từng mục đích của tài xế Nhưng hệ thống này lại rất phức tạp trong cấu tạo và sửa chữa, tốn kém trong việc bảo dưỡng

Ưu điểm:

Góc đặt bánh xe được ổn định, hạn chế lắc ngang thân xe khi vào cua Tạo sự linh hoạt trong việc sắp xếp các thành phần như lò xo, giảm chấn, … Dễ dàng điều chỉnh động học của hệ thống treo, tối ưu hóa quá trình vận hành của xe

Nhược điểm:

Cấu tạo nhiều thành phần, phức tạp hơn so với MacPherson

Treo đa liên kết (Multi-Link):

Hình 1.4 Treo đa liên kết

Được cải tiến từ “đàn anh” tay đòn kép, treo đa liên kết sử dụng ít nhất 3 cần bên và 1 cần dọc Những cần này không nhất thiết phải dài bằng nhau và có thể xoay theo các hướng khác nhau so với ban đầu Mỗi cần đều có 1 khớp nối cầu hoặc ống lót cao su ở cuối, nhờ đó chúng luôn ở trạng thái căng, nén và không bị bẻ cong Bố cục đa liên kết được sử dụng cho cả hệ thống treo trước và sau Tuy nhiên, đối với treo trước, cần bên được thay thế bằng thanh giằng nối khung hoặc hộp cơ cấu nối với moayer

Ưu điểm:

Sự đa dạng trong thiết kế và điều chỉnh các liên kết giúp mang đến cảm giác điều khiển và xử lý còn tốt hơn so với kiểu tay đòn kép

Nhược điểm:

Việc phát triển và thiết kế rất phức tạp

Có giá thành, độ phức tạp trong khâu sửa chữa và bảo dưỡng cao

1.2 Hệ thống treo phụ thuộc:

Hình 1.5 Hệ thống treo phụ thuộc

Các bánh xe được kết nối trên cùng 1 dầm cầu liền, dầm cầu này sẽ được nối với thân xe Đây là một mô hình hệ thống treo đơn giản, đặc điểm của nó là có độ bền rất cao phù hợp với loại xe tải trọng lớn Tuy nhiên nếu xe không tải bất kì cái gì thì hệ thống này lại trở nên khá cứng nhắc và không êm dịu, dễ bị rung động

Ưu điểm:

Cấu tạo hệ thống khá đơn giản, ít chi tiết

Hệ thống treo phụ thuộc có độ cứng vững, chịu được tải nặng thích hợp cho các dòng xe tải hoặc bán tải

Khi xe vào cua thì thân xe ít bị nghiêng tạo cảm giác ổn định hơn

Vị trí các bánh xe ít thay đổi do chuyển động lên xuống nên lốp xe ít bị mòn

Nhược điểm:

Phần khối lượng không được treo lớn, hệ thống treo phụ thuộc có đặc thù cứng nhắc, không có độ linh hoạt cho mỗi bánh nên độ êm của xe rất kém

Giữa bánh xe phải và trái mỗi khi chuyển động có ảnh hưởng dao động và rung lắc qua lại lẫn nhau thông qua hệ thống dầm cầu

Khi vào đoạn đường cua xe dễ bị trượt bánh nếu đi với tốc độ cao, đặc biệt trong điều kiện mặt đường trơn trượt

1.3 Các hệ thống treo khác:

1.3.1 Hệ thống treo cân bằng:

Hình 1.6 Hệ thống treo cân bằng

Hệ thống này chỉ đối với xe tải 3 cầu trở lên thì mới có thêm loại treo cân bằng, được bố trí giữa 2 cầu chủ động liên tiếp làm tăng khả năng chịu tải trọng cho xe

1.3.2 Hệ thống treo khí nén:

Hình 1.7 Hệ thống treo khí nén

Hệ thống treo khí nén là hệ thống treo sử dụng các phần tử đàn hồi là không khí nén (không khí nén hoặc khí nitơ), hiện nay có hai loại:

Có khối lượng thay đổi có áp suất lớn nhất trong phần tử đàn hồi ≤ 1MPa, gọi là phần tử khí nén áp suất thấp

Có khối lượng không đổi trong đó môi trường làm việc là khí nitơ, áp suất làm việc cao, ở tải trọng tĩnh áp suất trong khoảng (2 - 10) MPa gọi là phần tử đàn hồi áp suất cao

1.3.3 Hệ thống treo thủy-khí:

Hình 1.8 Hệ thống treo thủy khí

Hệ thống treo thủy khí được sử dụng thông dụng trên các loại ô tô con, không gian công tác của phần tử đàn hồi được phân cách làm hai phần nhờ màng ngăn cách Khối lượng khí thường dùng khí nitơ không thay đổi Việc truyền lực từ bánh xe lên bộ phận khí thông qua bộ phận thủy lực nên gọi là hệ thống treo thủy - khí

CHƯƠNG 2: CHỌN SƠ ĐỒ CẤU TẠO LÀM

2.2 Chọn bộ phận đàn hồi:

Loại lò xo trụ có kết cấu và chế tạo đơn giản, dễ bố trí Tuy nhiên, lò xo trụ chỉ tiếp nhận lưc thẳng đứng, cần có bộ phận dẫn hướng riêng

Hình 2.2 Lò xo trụ

Vì chỉ đảm bảo tác dụng nâng đỡ, giảm lực tác động lên khung xe, nên lò xo trụ là phù hợp yêu cầu

Trên xe ô tô con, mục đích chính của giảm chấn là:

Giảm và dập tắt các dao động truyền lên khung khi xe di chuyển, đảm bảo dao động của phần không treo ở mức tối thiểu

Bảo vệ bộ phận đàn hồi

Đảm bảo tiếp xúc bánh xe với đường, tính an toàn khi chuyển động và tính chất chuyển động của xe

Hình 2.3 Giảm chấn ô tô loại 2 ống với hơi áp lực

Giảm chấn loại 2 ống với hơi áp lực giúp dập tắt dao động nhanh vì đảm bảo được cách lắp đặt và yêu cầu êm dịu của thiết kế

2.4 Chọn bộ phận dẫn hướng:

Bộ phận dẫn hướng là bộ là quan trọng trong hệ thống treo Bộ phận này đóng vai trò tiếp nhận và truyền lực giữa bánh và khung xe, đảm bảo động học của xe giúp xe di chuyển ổn định

Có hai loại dẫn hướng chính là dùng nhíp (thường có trên xe tải) và dùng cơ cấu tay đòn (thường trang bị trong các mẫu xe con)

Hình 2.4 Bộ phận dẫn hướng cơ cấu tay đòn

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN CÁC CHI TIẾT CHÍNH CỦA HỆ THỐNG TREO

Trong hệ thống treo, lò xo là phần tử đàn hồi có nhiệm vụ làm êm dịu chuyển động Lò xo trong quá trình làm việc chỉ chịu tác dụng của tải trọng thẳng đứng Z, mà không truyền lực dọc lực ngang

Hình 3.1 Bộ phận đàn hồi lò xo

Dựa vào chế độ tải trọng đã phân tích ở phần động lực học, ta thấy rằng trường hợp tải trọng động trị số Z có giá trị lớn nhất nên ta cần thiết kế theo chế độ tải trọng

Dây có tiết diện tròn được xác định bởi đường kính d=18 mm Đường kính trung bình của lò xo D = 180 mm

Đường kính ngoài của lò xo Dng = D + d = 180 + 18 = 198 mm Đường kính trong của lò xo Dtr = D – d = 180 – 18 = 162 mm Số vòng làm việc của lò xo n = 4 vòng

Chiều dài của lò xo H = 282 mm Chiều dài khi chịu tải là Ht = 90 mm Bước của lò xo khi chịu tải là plt =66 mm

3.1.2.1.2 Tải trọng và ứng suất trong lò xo:

Khi chịu tải, ứng suất trong dây lò xo tương đối phức tạ

Ví dụ, khi kéo lò xo bởi lực F, trong dây thép của lò xo có ứng suất xoắn 𝜏𝑥, ứng suất kéo σk, ứng suất uốn 𝜎𝑢 và ứng suất cắt 𝜏𝑐

Khi tính toán lò xo, ta chỉ quan tâm đến ứng suất chủ yếu, có giá trị lớn, trong dây lò xo Các ứng suất khác được kể đến bằng cách dùng hệ số điều chỉnh giá trị ứng suất, hoặc điều chỉnh giá trị ứng suất cho phép

Đối với các lò xo chịu kéo và chịu nén, ứng suất chủ yếu trong dây lò xo là 𝜏𝑥 Điều kiện bền của lò xo là: 𝜏𝑥 ≤ [𝜏𝑥]

Trong đó:

𝜏𝑥 là ứng suất xoắn sinh ra trong dây lò xo, [𝜏𝑥] là ứng suất xoắn cho phép của lò xo

Lò xo chịu mô men xoắn T, ứng suất chủ yếu trong dây lò xo là 𝜎𝑢 Chỉ tiêu tính toán của lò xo là: 𝜎𝑢 < [𝜎𝑢]

Trong đó:

𝜎𝑢 là ứng suất uốn sinh ra trong dây lò xo, [𝜎𝑢] là ứng suất uốn cho phép của dây lò xo

Do dây bị uốn cong, ứng suất xoắn ở biên trong của dây lớn hơn biên ngoài Mô men chống xoắn của tiết diện dây lò xo:

Giả sử điều kiện 𝜏𝑥 ≤ [𝜏𝑥], rút ra được công thức tính đường kính dây lò xo

𝜆𝑚𝑎𝑥là chuyển vị lớn nhất của lò xo khi chịu 𝐹𝑚𝑎𝑥 𝜆𝑚𝑖𝑛là chuyển vị nhỏ nhất của lò xo ứng với 𝐹𝑚𝑖𝑛

3.1.2.1.4 Tính lò xo chịu xoắn:

Khi lò xo chịu momen xoắn T, dây lò xo bị uốn bởi momen 𝑀 = 𝑇 𝑐𝑜𝑠𝛾 Vì góc 𝛾 tương đối nhỏ, nên lấy gần đúng 𝑐𝑜𝑠𝛾 = 1

Hình 3.4 Lực khi lò xo chịu xoắn

Ứng suất uốn trong dây lò xo được xác định theo công thức:

𝜃 là góc xoắn của lò xo, khi làm việc ứng với 𝑇𝑚𝑎𝑥, J là mô mem quán tính của tiệt diện dây lò xo, 𝐽 = 𝜋 𝑑4/64

3.1.3 Kết luận:

Các thông số thiết kế lò xo:

Đường kính dây lò xo: d = 18 (mm)

Đường kính trung bình lò xo: D = 180 (mm) Tỷ số đường kính: c = 10

Chiều cao lò xo khi chịu tải: Hs = 90 (mm)

Chiều cao lò xo khi chưa chịu tải: H0 = 282 (mm) Số vòng làm việc của lò xo: n = 4 (vòng)

Số vòng toàn bộ: n0 = 5,5 (vòng)

3.2.1 Thiết kế giảm chấn trước:

3.2.1.1 Xác định hệ số cản của giảm chấn KG:

Hệ số cản của hệ thống treo K góp phần quan trọng, nó tạo ra độ êm dịu của xe Tương tự bộ phận đàn hồi, tùy thuộc cách lắp giảm chấn trên xe Hệ số cản của giảm chấn KG có thể bằng hoặc không bằng hệ số cản của hệ thống treo

3.2.1.1.1 Hệ số cản của hệ thống treo:

Trong lý thuyết ô tô để đánh giá sự dập tắt chấn động người ta sử dụng hệ số dập tắt chấn động tương đối như sau:

Với giảm chấn, lực cản ở hành trình trả thường lớn hơn ở hành trình nén với mục đích, khi bánh xe đi qua chỗ gồ ghề thì giảm chấn bị nén nhanh cho nên không truyền lên khung xe những xung lực lớn ảnh hưởng đến độ bền khung xe và sức khoẻ người trong xe Do đó năng lượng được hấp thụ vào chủ yếu là ở hành trình trả

Giải hệ phương trình trên, ta được:

Công suất tỏa nhiệt của một của một vật thể kim loại có diện tích tỏa nhiệt là F được tính như sau:

Kích thước sơ bộ của giảm chấn bao gồm chiều dài của các bộ phận: Ld là chiều dài phần đầu giảm chấn; Lm là chiều dài bộ phận làm kín; LP là chiều dài piston giảm chấn; Lv là chiều dài phần đế van giảm chấn; LG là hành trình làm việc cực đại của giảm chấn, LG phải lớn hơn khoảng dịch chuyển của bánh xe từ điểm hạn chế trên đến điểm hạn chế dưới

Nếu lấy đường kính pittông d làm thông số cơ bản, các thông số khác được xác Thỏa mãn điều kiện nhiệt

3.2.1.2.2 Xác định kích thước lỗ van giảm chấn:

Tổng diện tích lưu thông của các lỗ van giảm chấn (số lỗ và kích thước lỗ van) quyết định hệ số cản của giảm chấn Ta có công thức:

3.2.1.2.2.3 Xác định kích thước lỗ van giảm tải hành trình nén:

Tổng diện tích tất cả lỗ van khi nén mạnh được xác định theo công thức:

3.2.1.2.2.4 Xác định kích thước lỗ van giảm tải hành trình trả:

Tổng diện tích tất cả lỗ van khi trả mạnh được xác định theo công thức:

Chọn số lỗ van n = 4 => d = 1,2 mm

3.2.1.2.3 Xác định kích thước lò xo các van giảm chấn:

Lực tác dụng lên lò xo van khi van bắt đầu mở:

d - Đường kính dây lò xo

P2 - Lực tác dụng lên lò xo khi van mở hoàn toàn

𝛿 - Khoảng cách giữa các vòng dây, 𝛿 = 0,8 mm

N0 - Số vòng toàn bộ của lò xo, n0 = n+1 = 5 +1 = 6 vòng Chiều dài của lò xo khi van ở trạng thái đóng:

Hd = Hm + h = 19,8 + 2 = 21,8 mm Chiều dài của lò xo ở trạng thái tự do: Htd = Hd + λ = 21,8 + 3,7= 25,5 mm

𝐻𝑚 = 𝑛 𝑑 + 𝛿 𝑛0 = 5.3 + 0,8 = 19,8 𝑚𝑚

Hệ số cản của hệ thống treo K góp phần quan trọng, nó tạo ra độ êm dịu của xe Tương tự bộ phận đàn hồi, tùy thuộc cách lắp giảm chấn trên xe Hệ số cản của giảm chấn K g có thể bằng hoặc không bằng hệ số cản của hệ thống treo

3.2.2.1.1 Hệ số cản của hệ thống treo:

Trong lý thuyết ô tô để đánh giá sự dập tắt chấn động người ta sử dụng hệ số dập tắt chấn động tương đối như sau:

Với giảm chấn, lực cản ở hành trình trả thường lớn hơn ở hành trình nén với mục đích, khi bánh xe đi qua chỗ gồ ghề thì giảm chấn bị nén nhanh cho nên không truyền lên khung xe những xung lực lớn ảnh hưởng đến độ bền khung xe và sức khoẻ người trong xe Do đó năng lượng được hấp thụ vào chủ yếu là ở hành trình trả

Giải hệ phương trình trên, ta được: