Bài giảng kết cấu ô tô phần 1 trường đh công nghiệp quảng ninh

- Sơ đồ a: động cơ, ly hợp, hộp số đặt hàng dọc phía trước đầu ôtô, cầu chủ động đặt sau ôtô, trục các đăng nối giữa hộp số và cầu chủ động.. - Sơ đồ b, c ngày nay thông dụng, đặt trên c

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ - KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

BÀI GIẢNG

KẾT CẤU Ô TÔ

(Dành cho sinh viên bậc Đại học)

(LƯU HÀNH NỘI BỘ)

Quảng Ninh, 2020

Chương 1 KHÁI QUÁT CHUNG VỀ ÔTÔ 1.1 KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI ÔTÔ

1 1.1 Khái niệm

Ôtô là phương tiện vận tải đường bộ chủ yếu Nó có tính cơ động cao và phạm vi hoạt động rộng Do vậy, trên toàn thế giới ôtô hiện đang được dùng để vận chuyển hành khách hoặc hàng hoá phục vụ cho nhu cầu phát triển kinh tế quốc dân và quốc phòng

1.1.2 Phân loại ôtô

1.1.2.1 Dựa vào tải trọng và số chỗ ngồi

Dựa vào tải trọng và số chỗ ngồi, ôtô được chia thành các loại:

- Ôtô có trọng tải nhỏ (hạng nhẹ): trọng tải chuyên chở nhỏ hơn hoặc bằng 1,5 tấn và ôtô có số chỗ ngồi ít hơn hoặc bằng 9 chỗ ngồi

- Ôtô có trọng tải trung bình (hạng vừa): trọng tải chuyên chở lớn hơn 1,5 tấn và nhỏ hơn 3,5 tấn hoặc có số chỗ ngồi lớn hơn 9 và nhỏ hơn 30 chỗ

- Ôtô có trọng tải lớn (hạng lớn): trọng tải chuyển chở lớn hơn hoặc bằng 3,5 tấn hoặc số chỗ ngồi lớn hơn hoặc bằng 30 chỗ ngồi

- Ôtô có trọng tải rất lớn (hạng nặng): tải trọng chuyên chở lớn hơn 20 tấn, thường được sử dụng ở các vùng mỏ

1.1.2.2 Dựa vào nhiên liệu sử dụng

Dựa vào nhiên liệu sử dụng, ôtô được chia thành các loại:

- Ôtô chạy xăng;

- Ôtô chạy dầu diezel;

- Ôtô chạy khí ga;

- Ôtô đa nhiên liệu (xăng, diezel, ga);

- Ôtô chạy điện

1.1.2.3 Dùa vµo c«ng dông cña «t«

Dựa vào công dụng, ôtô chia thành các loại:

- Ôtô vận tải;

- Ôtô chở hành khách, ôtô chuyên chở hành khách bao gồm các loại: ôtô buýt, ôtô tắc xi, ôtô du lịch, ôtô chở khách liên tỉnh, ôtô chở khách đường dài;

- Ôtô chuyên dùng như: ôtô cứu thương, cứu hoả, ôtô phun nước, ôtô cẩu

và ôtô vận tải chuyên dùng (ôtô xi téc, ôtô thùng kín, ôtô tự đổ, )

1.1.2.4 Dựa theo phân loại ISO

* Ôtô du lịch

STT Tªn gäi §Æc ®iÓm H×nh d¸ng

1

Sedan, Salon Vỏ cứng, 2-4 cửa, 4.5

chỗ ngồi

2

Kombi Limousine Vỏ cứng, 2-4 cửa, 4.6

chỗ ngồi

3

Pullman Vỏ cứng, 4.6 cửa, 4.6

chỗ ngồi

4

Coupé Vỏ cứng 2 ghế, 2 cửa

Ôtô mui trần

Mui dạng xếp, rời, 2 ghế, 2 cửa

6

Kombi

Vỏ cứng khoang sau rộng, 4 cửa bên, 1 cửa sau

7

Ôtô chở khách nhỏ (mini buýt)

Vỏ cứng khoang sau rộng, 2-4 cửa bên, 1 cửa sau

8

Ôtô bán tải (pick-up) Khoang sau chuyên

dùng, 2 cửa bên

9

Ôtô đa năng Chở người, chở hàng, đi

được ở nhiều địa hình

* ¤t« chë ng-êi (buýt)

bus) 9-16 chỗ ngồi

bus) 2-3 cửa bên lớn

hai thân

Xe kéo, rơ moóc dính liền, nhiều cửa bên

thành phố

dụng

Có đầy đủ tiện nghi sinh hoạt

* ¤t« t¶i

thùng chứa hàng

chuyên dùng

* §oµn xe

rơmoóc

trục

Gồm ôtô kéo và bán moóc một trục

tải Gồm xe kéo và bán moóc hai trục

Gồm xe kéo và nhiều moóc nối tiếp

Gồm xe kéo và bán moóc thân dài

1.2 CẤU TẠO CHUNG CỦA ÔTÔ

1 2.1 Lịch sử và xu hướng phát triển ôtô

Từ những năm 1860 chiếc ôtô đầu tiên sử dụng động cơ đốt trong đã ra đời Những ôtô này sử dụng động cơ 2 mã lực tốc độ cực đại khoảng 20 km/h

Sự ra đời của ôtô dùng động cơ đốt trong đã thách thức các phương tiện vận tải

bộ thô sơ thời bấy giờ và ngày càng thúc đẩy ngành vận tải đường bộ phát triển Đến nay, công nghiệp chế tạo ôtô trên thế giới đã phát triển rất mạnh và đã chế tạo được nhiều loại ôtô hiện đại với tốc độ lớn nhất đạt hàng trăm km/h Các gam tải trọng cũng rất đa dạng, phổ biến từ 0,5 - 10 tấn Đặc biệt có những loại ôtô tải nặng có trọng tải đến 60 tấn Đấy là chưa kể đến phương thức vận tải chuyên dụng và bằng đoàn xe

Xu hướng phát triển ôtô trên thế giới hiện nay là: tăng tải trọng, tăng tốc

độ, tăng tính kinh tế nhiên liệu, tăng tính tiện nghi và giảm ô nhiễm môi trường

Để phục vụ cho xu hướng phát triển nêu trên các thành tựu khoa học kỹ thuật mới như: tin học, tự động điều khiển, điện tử, vật liệu mới, đều đã được ngành chế tạo ôtô ứng dụng

1.2.2 Cấu tạo chung

Ôtô bao gồm năm phần chính: động cơ, gầm, hệ thống điện, cabin (vỏ xe)

và hệ thống các thiết bị phụ khác (radio, điều hoà, tời kéo, …)

- Động cơ ôtô: động cơ là nguồn động lực chủ yếu của ôtô Hiện nay, trên ôtô

sử dụng phổ biến nhất là động cơ đốt trong kiểu pittông 4 kỳ

- Gầm ôtô: gầm ôtô bao gồm hàng loạt các hệ thống:

+ Hệ thống truyền lực có nhiệm vụ nhận và truyền động lực từ động cơ đến bánh xe chủ động

+ Hệ thống chuyển động gồm khung vỏ, các vỏ cầu, bánh xe, hệ thống treo + Hệ thống điều khiển gồm hệ thống lái và hệ thống phanh

- Điện ôtô: gồm điện động cơ và điện thân xe với hệ thống cung cấp điện, hệ thống đánh lửa, hệ thống khởi động, hệ thống tín hiệu và chiếu sáng, hệ thống thông tin, chẩn đoán,

1.3 BỐ TRÍ CHUNG TRÊN ÔTÔ

1.3.1 Bố trí chung trên ôtô chủ yếu phụ thuộc phụ vào sự bố trí của động

cơ và hệ thống truyền lực

Hệ thống truyền lực (HTTL) có thể tập hợp các cụm chức năng khác nhau Thông thường bao gồm:

Hình 1.1.a Bố trí chung động cơ và hệ thống truyền lực trên ôtô

- Ly hợp, hộp số chính, cầu chủ động, trục các đăng, bánh xe;

- Ly hợp, hộp số chính, hộp phân phối, cầu chủ động, trục các đăng, khớp nối, bánh xe;

- Hoặc hộp số cơ khí thuỷ lực (hộp số thuỷ cơ), hộp phân phối, cầu chủ động, trục các đăng, khớp nối, bánh xe, v.v

Số lượng cụm có thể khác nhau tuỳ thuộc vào tính năng kỹ thuật của ôtô

Trên hình 1.1.a và 1.1.b giới thiệu các sơ đồ bố trí chung thường gặp trên ôtô

- Sơ đồ a: động cơ, ly hợp, hộp số đặt hàng dọc phía trước đầu ôtô, cầu chủ động đặt sau ôtô, trục các đăng nối giữa hộp số và cầu chủ động Chiều dài từ hộp số đến cầu chủ động sau khá lớn nên giữa trục phải đặt ổ treo Sơ đồ này thông dụng và quen thuộc trên nhiều ôtô đã gặp

- Sơ đồ b: động cơ, ly hợp, hộp số chính, cầu ôtô nằm dọc và ở phía trước, tạo nên cầu trước chủ động Toàn bộ các cụm liên kết với nhau thành một khối lớn, gọn Nhờ cấu trúc này trọng tâm xe nằm lệch hẳn về phía đầu ôtô, kết hợp với cấu tạo vỏ ôtô tạo khả năng ổn định cao khi có lực bên tác động, đồng thời giảm

độ nhạy cảm với gió bên Song không gian đầu ôtô rất chật hẹp

- Sơ đồ c: động cơ, ly hợp, hộp số, nằm ngang đặt trước ôtô, cầu trước chủ động Toàn bộ cụm truyền lực làm liền khối, trọng lượng khối động lực nằm lệch hẳn

về phía trước đầu ôtô giảm đáng kể độ nhạy cảm của ôtô với lực bên nhằm nâng cao khả năng ổn định ở tốc độ cao Trong cầu chủ động: bộ truyền bánh răng trụ thay thế cho bộ truyền bánh răng côn

- Sơ đồ b, c ngày nay thông dụng, đặt trên các ôtô con một cầu chủ động, có tốc

độ cao nhằm đảm bảo trọng lượng phân bố về phía trước lớn (kể cả khi ôtô đầy tải) điều này có lợi cho khả năng điều khiển ôtô và giảm nhẹ công việc lắp ráp trong sản xuất

- Sơ đồ d: động cơ, ly hợp, hộp số, cầu chủ động làm thành một khối gọn ở phía sau ôtô, cầu sau chủ động Cụm động cơ nằm sau cầu chủ động Cấu trúc này hiện nay ít gặp trên ôtô loại 4, 5 chỗ ngồi, tuy vậy vẫn tồn tại vì lý do công nghệ truyền thống của các hãng sản xuất hoặc thực hiện trên các loại ôtô mini buýt

- Sơ đồ e: giống như sơ đồ d nhưng cụm động cơ nằm quay ngược lại, đặt trước cầu sau

Hai dạng cấu trúc này rất phù hợp cho việc tăng lực kéo của xe, tức là đảm bảo khả năng tăng tốc của ôtô tốt, hạ thấp chiều cao đầu ôtô, phù hợp với việc tạo dáng khí động học cho ôtô cao tốc

- Sơ đồ g: động cơ, ly hợp đặt trước xe, hộp số chính, cầu xe đặt sau ôtô và cũng tạo nên một khối lớn, trục các đăng nối giữa ly hợp và hộp số chính Trục các đăng đặt kín trong vỏ bọc làm tốt việc bảo vệ che bụi cho hệ thống Trọng lượng san đều cho cả hai cầu

- Sơ đồ h: động cơ, ly hợp đặt trước, hộp số chính, hộp phân phối đặt dọc phía đầu ôtô, cầu trước và cầu sau chủ động Nối giữa hộp phân phối và các cầu là

các trục các đăng Sơ đồ này thường gặp ở ôtô có khả năng việt dã cao, ôtô chạy trên đường xấu

- Sơ đồ i: động cơ, hộp số, ly hợp, cầu trước thành một khối nằm phía đầu ôtô, đáp ứng nhu cầu tăng trọng lượng lên cầu trước Cầu sau chủ động nối với hộp

số chính thông qua khớp ma sát, không có hộp phân phối Kết cấu đơn giản và ôtô có tính năng việt dã tốt, nhất là khi ôtô hoạt động trên mặt đường trơn

Hình 1.1.b Bố trí chung động cơ và hệ thống truyền lực trên ôtô

1.3.2 Yêu cầu cách bố trí chung trên ôtô

Bố trí động cơ và các tổng thành trên ôtô phải thỏa mãn các yêu cầu cơ bản sau:

- Hệ số sử dụng chiều dài  phải lớn:

L

1





Trong đó: l: chiều dài thùng chứa hàng (buồng chứa) (m) L: chiều dài toàn bộ của ôtô (m)

- Chỗ ngồi của người lái phải đảm bảo an toàn dễ thao tác và vệ sinh công nghiệp, có chỗ để kiểm tra, bảo dưỡng các tổng thành

- Sự phân bố tải trọng lên các cầu phải hợp lý sao cho bảo đảm yêu cầu về kéo, bám, hãm, chuyển hướng ổn định

1.3.3 Bố trí động cơ

Trên hình (1.2a) bố trí động cơ ở phía trước ngoài buồng lái sử dụng nhiều trên xe tải

Ưu điểm: Dễ kiểm tra, bảo dưỡng, điều chỉnh, bố trí cơ cấu điều khiển động cơ, ly hợp, hộp số, thuận lợi

Hình 1-2 Bố trí động cơ trên ôtô

Nhược điểm: Hệ số  nhỏ, tầm nhìn của người lái kém

- Hình (1.2.b,c) động cơ đặt ở phía trước, trong buồng lái ta thấy tầm nhìn của lái xe tốt, nâng cao được , song kiểm tra và bảo dưỡng động cơ khó Khắc phục nhược điểm này người ta làm buồng lái lật được (1.2.h)

- Hình (1.2.d): động cơ đặt đằng sau thường sử dụng ở xe con, xe khách Theo kiểu bố trí này vị trí của người lái ngồi rất tốt, khoang hành khách được cách nhiệt tốt, kết cấu truyền lực gọn, tăng độ bám Việc điều khiển động cơ, ly hợp, hộp số phức tạp

- Hình (1.2.e): bố trí động cơ ở dưới sàn, thường sử dụng ở xe khách có

ưu điểm như phương án trên song làm giảm khoảng sáng gầm xe và khó kiểm

tra, bảo dưỡng, sửa chữa Việc điều khiển động cơ, ly hợp, hộp số từ xa nờn phức tạp

1.3.4 Bố trớ hệ thống truyền lực

Cú rất nhiều kiểu bố trớ hệ thống truyền lực ở ụtụ, tựy theo tổng số bỏnh xe và số lượng bỏnh xe chủ động của một ụtụ Ta ký hiệu 4 x 2; 4 x 4; 6 x 4; 6x 6 là cỏc cụng thức bỏnh xe, trong đú số thứ nhất biểu thị tổng số bỏnh xe của một xe (loại bỏnh kộp cũng chỉ tớnh một bỏnh xe), số thứ hai chỉ số bỏnh xe chủ động Kiểu hệ thống truyền lực cú ảnh hưởng rất lớn đến bố trớ chung toàn xe

Ở sơ đồ hỡnh (1.3a) động cơ được đặt ở phớa trước xe dẫn động cầu chủ động phớa sau Sơ đồ này tương đối phự hợp với ụtụ vận tải nú tận dụng được lực bỏm khi xe đầy tải Theo sơ đồ này trục truyền cỏc đăng tương đối dài nờn người ta lắp ổ đỡ trung gian cho trục truyền, ta gặp trờn cỏc ụtụ Gaz 53, zil 130, MAZ, giải phúng

Ở sơ đồ hỡnh (1.3b) động cơ và cầu chủ động đều được bố trớ ở phớa trước, nờn kết cấu hệ thống truyền lực khỏ gọn (cú thể động cơ và cầu chủ động cựng đặt ở phớa sau) Thụng thường loại bố trớ này sử dụng ở hệ thống treo độc lập Trong trường hợp này toàn bộ cỏc cụm động cơ, ly hợp, hộp số, truyền lực chớnh, vi sai được lắp lờn khung xe qua gối đỡ cao su đàn hồi Như vậy cả cụm tổng thành này khụng cú chuyển động tương đối so với khung xe trong quỏ trỡnh hoạt động Sự dịch chuyển tương đối của bỏnh xe chủ động so với khung xe nhờ bỏn trục cú hai khớp cỏc đăng đơn Với loại xe 4 x 4 hoặc 6 x 6 như hỡnh (1.3c, d k) cú thờm hộp phõn phối (8) để phõn phối mụmen xoắn đến cỏc cầu hoặc cú thờm hộp trớch cụng suất (7) để truyền mụmen xoắn đến tang tời (10) Cú thể truyền động cỏc đăng đến cầu giữa rồi ra cầu sau hoặc từ hộp phõn phối ra cầu giữa và cầu sau riờng (k)

Hình 1.3 Sơ đồ bố trí hệ thống truyền lực

Chương 2

TẢI TRỌNG TÁC DỤNG LÊN CÁC CƠ CẤU

VÀ CHI TIẾT CỦA ÔTÔ

Ôtô là một hệ động lực học phức tạp, chuyển động với tốc độ cao trên các loại đường khác nhau, cho nên tình trạng chịu tải không đơn giản Khi nghiên cứu

độ bền của các kết cấu, chi tiết ôtô ngoài tải trọng tĩnh cần xét đến tải trọng động Thông qua sự tổng hợp giữa tải trọng tĩnh, hệ số an toàn, thống kê xác suất tải trọng động, chúng ta có một chế độ tải trọng tính toán và thiết kế

Trên mỗi loại ôtô, giá trị lớn nhất của mômen xoắn Memax của động cơ đã được xác định, ta coi Memax là tải trọng tĩnh Tùy theo điều kiện sử dụng (khi xe chạy) có lúc các cơ cấu và chi tiết của ôtô chịu những tải trọng động rất lớn nhưng thời gian tác dụng ngắn Chúng ta có thể sử dụng hệ số tải trọng động

Kđ = Tải trọng động

Tải trọng tĩnh

Để biểu thị mức độ ảnh hưởng lúc có tải trọng động, ta sẽ xét một số trường hợp thường gặp phát sinh tải trọng động

2.1 CÁC TRƯỜNG HỢP SINH RA TẢI TRỌNG ĐỘNG

2.1.1 Đóng ly hợp đột ngột

Khi khởi hành ôtô việc đóng ly hợp đột ngột sẽ sinh ra tải trọng động rất lớn, vì tốc độ góc của phần bị động tăng lên rất nhanh trong một thời gian ngắn

do đó dẫn đến sự xuất hiện gia tốc góc và mômen quán tính Ta thấy xe bị giật mạnh hoặc động cơ chết máy

Hiện nay chưa có phương pháp giải tích để tính toán tải trọng động sinh ra trong trường hợp này Thường sử dụng công thức kinh nghiệm có khái niệm về định tính:

i

i

- : hệ số dự trữ mômen của ly hợp

- i: tỉ số truyền chung cho cả hệ thống truyền lực ứng với tay số đang nghiên cứu

Kết quả thí nghiệm đóng ly hợp đột ngột của xe A3-51

Khởi hành tại chỗ với các

tay số

Hệ số K đ khi nối bộ ly hợp

đột ngột

Tỉ lệ giữa mômen động và tĩnh của bộ ly hợp

2

3

4

3 3,35 3,66

1,67 1,82 2,03

2.1.2 Phanh mà không cắt ly hợp

2.1.2.1 Trong quá trình phanh

Những trường hợp khẩn cấp người ta phanh ôtô không cắt bộ ly hợp, lúc này tải trọng động gây ra dưới dạng mômen quán tính Đặc trưng của trường hợp này được biểu diễn bằng sơ đồ sau (hình 2.2):

Khi phanh do tác dụng của cơ cấu phanh nên xe chuyển động chậm dần với gia tốc âm Jp: lúc này bộ ly hợp không bị cắt nên thông qua hệ thống truyền lực được chuyển thành gia tốc góc âm  ở trục khuỷu động cơ - chủ yếu là ở bánh đà chuyển động với gia tốc góc âm  nên xuất hiện mômen quán tính

M J J BĐ  (2-2) Trong đó:

- JBĐ: mômen quán tính của bánh đà (kg.m2

)

-  : gia tốc góc (1/s2)

- Mj: tải trọng động (N.m)

Hình 2.2 Sơ đồ tính toán tải trọng động khi phanh không cắt ly hợp

Quan hệ giữa  và Jp như sau;

p bx

h

J r

i i

.

.

0



 (2-3) Trong đó:

- i0: tỉ số truyền của truyền lực chính

- ih: tỉ số truyền của hộp số ứng với tay số đang sử dụng

- rbx: bán kính bánh xe (m)

- Jp: gia tốc phanh (m.s-2

) Điều kiện phanh tốt nhất là Ppmax = P = Gb. thì có gia tốc phanh lớn nhất



 g

J Pmax  .

Trong đó:

- : hệ số bám

- g: gia tốc trọng trường (m.s-2)

- : hệ số kể đến ảnh hưởng của các chi tiết chuyển động quay trong lý thuyết ôtô  được tính:

2 2 0 2

1

.

.

1

bx

h BD bx

n

i bx

r G

i i J g r

G

J g





Trong đó:

- G: trọng lượng của ôtô (N)

- Jbx: mômen quán tính của một bánh xe (kg.m2

)

- n: số lượng bánh xe ôtô

- : hiệu suất truyền lực và mômen lực quán tính lớn nhất là:



 g r

i i J M

bx

h BD J

.

0

Từ đây ta có nhận xét:

- Nếu .Mms < MJmax thì ly hợp bị trượt, không truyền MJmax xuống hệ thống truyền lực tránh được tải trọng động này

- Nếu MJmax < Mms. ly hợp không bị trượt, MJmax sẽ tác động lên hệ thống truyền lực

2.1.2.2 Sau khi các bánh xe đã bị hãm

Mặc dù các bánh xe đã hãm chặt, xe dừng, do không cắt bộ ly hợp nên quán tính bánh đà còn quay một góc BĐ rồi mới dừng hẳn, Mjmax vẫn tác dụng lên hệ thống truyền lực làm cho nó bị xoắn (xét trường hợp ly hợp không trượt) Trước khi động cơ dừng bánh đà chuyển động chậm dần với gia tốc góc

dt

d BD

làm xuất hiện lực quán tính

dt

d J

BD J



.

Cùng với góc quay BĐ, MJ này sẽ truyền qua ly hợp, gây xoắn hệ thống truyền lực, quan hệ góc xoắn được tính theo:

BD  c.i h  n.i0.i h (2-6)

Trong đó:

- c: góc xoắn của trục các đăng (rad)

- n: góc xoắn của nửa trục trái (rad) các góc xoắn tính theo "sức bền vật liệu"

G J

i i M

c

c h j c

.

.



G J

i i i M c

h j n

2





Trong đó:

- lc, ln: chiều dài của trục các đăng và nửa trục (m)

- Jc, Jn: mômen quán tính độc cực của tiết diện trục các đăng và nửa trục (m4

)

- G: mô đun trượt của vật liệu (N.m-2) Thay các giá trị C, n vào (2.6) ta có

 M  J i i G  i J i G i 

c

n h c

c h J BD

2

2

Nếu gọi:

G J

i i i G J

i i C

c

n h c

c h

2

.

1

2 2 0 2

