Tối ưu hóa thiết kế tính toán mô phỏng hệ thống treo xe đua Formular car Tối ưu hóa thiết kế tính toán mô phỏng hệ thống treo xe đua Formular car Tối ưu hóa thiết kế tính toán mô phỏng hệ thống treo xe đua Formular car luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
Cơ sở nghiên cứu của đề tài
Ngành công nghiệp ô tô không chỉ đáp ứng nhu cầu giao thông mà còn thúc đẩy sản xuất và thương mại, mang lại lợi nhuận cao nhờ sản phẩm giá trị Các quốc gia như Mỹ, Nhật Bản, và Hàn Quốc đã chú trọng phát triển ngành công nghiệp ô tô để phục vụ nội địa và xuất khẩu Tại Việt Nam, mục tiêu xây dựng ngành công nghiệp ô tô nhằm thay thế nhập khẩu và tiến tới xuất khẩu đã được đặt ra, với sự hỗ trợ từ chính phủ thông qua các chính sách ưu đãi để thu hút đầu tư Tuy nhiên, sự phát triển của ngành công nghiệp ô tô Việt Nam vẫn còn hạn chế về số lượng, chất lượng và tính hiện đại, với nhiều doanh nghiệp chỉ dừng lại ở việc lắp ráp chi tiết nhập khẩu hoặc sản xuất các chi tiết đơn giản nhưng có giá thành cao và chất lượng kém.
Ngành công nghiệp ô tô Việt Nam đang đối mặt với thách thức lớn trong việc tăng tỷ lệ nội địa hóa các chi tiết ô tô Để vượt qua khó khăn này, cần tăng cường giao lưu học hỏi công nghệ chế tạo ô tô giữa các trường và doanh nghiệp trong nước, đồng thời mở rộng hợp tác với các quốc gia khác Việc nghiên cứu và áp dụng công nghệ chế tạo ô tô từ nước ngoài sẽ giúp nâng cao nền công nghiệp ô tô Việt Nam, từng bước hội nhập vào khu vực và thế giới.
Hiệp hội kỹ sư ô tô Việt Nam, các trường đại học kỹ thuật và doanh nghiệp cần tổ chức thường xuyên hơn các cuộc thi chế tạo xe ô tô Formula CAR để giúp kỹ sư tương lai phát triển kỹ năng tính toán, thiết kế và chế tạo ô tô Formula SAE là cuộc thi hàng năm cho sinh viên đại học và sau đại học trên toàn thế giới, được tài trợ bởi Hiệp hội kỹ sư ô tô địa phương Trong cuộc thi, sinh viên tự tìm hiểu, thiết kế và chế tạo một chiếc xe đua công thức cỡ nhỏ, mang phong cách sáng tạo riêng và tuân thủ quy định của FORMULA SAE Các đội đua được giả tưởng là thiết kế cho một công ty chuyên nghiệp, phải chứng minh xe của họ đáp ứng tiêu chuẩn kỹ thuật, an toàn và khả năng thương mại hóa.
Tác giả đã nghiên cứu các cuộc thi Formula SAE tại Mỹ, Nhật Bản và Úc để phát triển chiếc xe Formula Car đáp ứng yêu cầu của cuộc thi Để chế tạo thành công, các đội cần thực hiện nhiều bước quan trọng, trong đó tính toán, thiết kế và chế tạo hệ thống treo là một trong những công đoạn thiết yếu.
Hệ thống treo xe đóng vai trò quan trọng trong việc giảm tải trọng động từ mặt đường lên xe và truyền lực từ bánh xe đến thân xe Sự thành công trong việc chế tạo hệ thống treo sẽ ảnh hưởng lớn đến việc sản xuất xe Formula Car và thành tích của các đội thi.
Nghiên cứu và tối ưu hệ thống treo cho xe Formula Car nhằm giảm khối lượng và đảm bảo độ bền phù hợp với điều kiện Việt Nam đang được chú trọng Điều này là cần thiết để thiết kế thành công chiếc xe Formula Car đủ tiêu chuẩn tham gia cuộc thi Formula SAE.
Trước đây, việc tính toán, thiết kế và tối ưu hệ thống treo xe ô tô cùng các chi tiết khác chủ yếu dựa vào các phương pháp truyền thống.
Phương pháp truyền thống trong sản xuất yêu cầu thực hiện 5 công thức thực nghiệm, sau đó tiến hành chế tạo và thử nghiệm nhiều lần Nếu phát hiện vấn đề, các thông số sẽ được tính toán lại và tiếp tục thử nghiệm cho đến khi đạt tiêu chuẩn kỹ thuật Tuy nhiên, quy trình này tốn nhiều thời gian, lãng phí nguyên vật liệu và công sức, dẫn đến giá thành sản phẩm tăng cao và kết quả chưa được tối ưu.
Công nghệ thông tin ngày nay phát triển mạnh mẽ, với máy tính trở thành công cụ hỗ trợ đắc lực cho con người, giúp phát huy tối đa khả năng của họ Tin học đã được ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực, đặc biệt trong ngành công nghiệp chế tạo máy, nơi các chương trình tính toán, thiết kế và tối ưu được thiết lập nhằm tiết kiệm thời gian, công sức và chi phí.
Chính vì các lý do đó tác giả đã chọn đề tài “ Nghiên cứu giải pháp tối ưu thiết kế hệ thống treo xe formula Car ”.
Phương pháp thực hiện đề tài
Trên thị trường Việt Nam hiện nay, có nhiều phần mềm hỗ trợ tính toán, thiết kế và tối ưu hệ thống treo cho xe Formula Car, trong đó nổi bật là Cattia và Solidworks Tuy nhiên, trong bài viết này, tác giả quyết định lựa chọn phần mềm Solidworks để thực hiện nghiên cứu.
Mục đích nghiên cứu là mô phỏng và tính toán hệ thống treo của xe Formula Car trong môi trường 3D Bằng cách sử dụng công cụ Solidworks Simulation, bài viết sẽ tối ưu hóa các chi tiết cơ bản của hệ thống treo, đảm bảo đáp ứng các điều kiện chế tạo tại Việt Nam và tiêu chuẩn của cuộc thi Formula SAE.
Các bước thực hiện đề tài cụ thể như sau:
+ B1: Nghiên cứu luật cuộc thi, các quy định thiết kế và tham khảo các đội thi
+ B2: Giới thiệu về hệ thống treo nói chung và hệ thống treo trên xe formula Car
+ B3: Sử dụng phần mềm Solidworks tính toán, thiết kế hệ thống treo Formula Car theo các phương án
+ B4: Kiểm nghiệm bền hệ thống treo Formula Car bằng công cụ Solidworks Simulation
+ B5: Tối ưu chi tiết trong hệ thống treo xe Formula Car bằng công cụ tối ưu hóa của Solidworks
TÌM HIỂU CUỘC THI FORMULA CAR, LUẬT CUỘC THI VÀ CÁC QUY ĐỊNH THIẾT KẾ
Tổng quan về cuộc thi Formula Car
2.1.1 Lịch sử của cuộc thi
Cuộc thi được bắt đầu vào năm 1978 và ban đầu được gọi là SAE Mini Indy
Vào năm 1979, SAE Mini-Indy được tổ chức tại Đại học Houston, do Tiến sĩ Kurt M Marshek khởi xướng Cuộc thi này được lấy cảm hứng từ một bài báo trong tạp chí Popular Mechanics, mô tả một chiếc xe làm từ gỗ với động cơ năm mã lực Trong sự kiện này, có 13 trường tham gia, trong đó 11 trường thi đấu, và trường Đại học Texas ở El Paso đã giành chiến thắng.
Vào năm 1980, Tiến sĩ William Shapton từ trường Đại học Công nghệ Michigan đã nêu ra ý tưởng về việc tổ chức một cuộc thi tương tự, nhưng không có đơn vị nào đứng ra tổ chức cuộc thi SAE mini-Indy trong năm đó.
Năm 1981 Formula SAE đầu tiên được tổ chức tại Hoa Kỳ do Hiệp hội
Cuộc thi Kỹ sư ô tô (SAE) được tổ chức nhằm phát triển kiến thức và kỹ năng cho sinh viên và học viên cao học tại các trường đại học kỹ thuật, được đánh giá là một công cụ giáo dục hiệu quả.
Cuộc thi SAE công thức đầu tiên được tổ chức tại Úc vào năm 2000, với sự tham gia của hơn 25 trường đại học từ Úc, Mỹ, Nhật Bản và châu Âu Sau đó, cuộc thi cũng được diễn ra tại Anh và Nhật Bản, và đến nay đã thu hút hơn 140 đội thi từ nhiều quốc gia trên thế giới.
2.1.2 Các quy tắc cạnh tranh
Xe ô tô dự kiến sẽ được thiết kế với bốn bánh và khoang lái hở, có tổng dung tích xy lanh tối đa 610cc Xe cần trang bị hệ thống treo và bánh xe có đường kính tối thiểu 50cm, với chiều dài cơ sở tối thiểu 1525mm, đảm bảo khả năng vận hành cao trong gia đình.
Tối ưu hóa tốc độ, phanh, lái và khí động học là những yếu tố quan trọng trong thiết kế xe đua, nhằm đảm bảo hiệu suất cao với chi phí sản xuất tối thiểu Việc áp dụng các công nghệ dễ dàng trong sản xuất và bảo dưỡng sẽ giúp nâng cao độ an toàn khi tham gia đua xe.
2.1.3 Mục tiêu của cuộc thi
1 Chiếc xe có hiệu suất cao về khả năng tăng tốc, phanh và xử lý tình huống Chiếc xe cũng phải chạy đủ bền để hoàn thành tất cả các vòng kiểm tra của cuộc thi Formula car SAE, đảm bảo an toàn khi đua xe
2 Đảm bảo các chỉ tiêu đánh giá gồm: thẩm mỹ, chi phí, thiết kế hợp lý, bảo trì, sản xuất được và độ tin cậy cao
3 Mỗi xe sẽ được đánh giá tổng thể thiết kế so với thiết kế khác để xác định là tốt nhất
4 Cạnh tranh về giá cả trên thị trường
5 Cạnh tranh về tính ứng dụng thực tiễn (thực hiện các bài thực hành)
6 Khả năng sáng tạo, chế tạo phù hợp với yêu cầu kỹ thuật của cuộc thi, luật của cuộc thi
7 Chiếc xe đạt điểm cao nhất trong cuộc thi.
Nội dung cuộc thi Formula Car
Hình 2.1: Kiểm tra sự phù hợp yêu cầu thiết kế của xe
Kiểm tra an toàn xe là bước quan trọng để đảm bảo xe đáp ứng các yêu cầu thiết kế, bao gồm quy định về vật liệu, các thanh nối, cũng như kích thước như chiều dài, chiều rộng và chiều cao.
Kiểm tra xe trong trường hợp có sự cố, trong 5 giây lái xe có thoát ra khỏi xe hay không (Hình 2.2)
Hình 2.2: Kiểm tra việc thoát hiểm khi gặp sự cố
- Kiểm tra hệ thống treo
- Kiểm tra phanh (khóa 4 bánh)
- Kiểm tra tiếng ồn (tiếng ồn khí xả nhỏ hơn 110dB) (Hình 2.3)
Hình 2.3: Kiểm tra tiếng ồn khí xả
Thí nghiệm về độ nghiêng của xe yêu cầu xe phải nghiêng 45 độ mà không rò rỉ nhiên liệu và nghiêng 60 độ với lái xe ngồi trên xe mà không bị lật (Hình 2.4).
Hình 2.4: Kiểm tra nghiêng xe
Và một số mục khác như lốp, điện, hệ thống lái…
Cuộc thi Formula SAE gồm hai phần thi chính: đó là phần thi tĩnh và phần thi động
Phần thi Nội dung Điểm
Phân tích chi phí 100 Động Khả năng tăng tốc 75
2.2.2.1 Nội dung phần thi tĩnh
- Đánh giá mức độ chế tạo và tính phù hợp với báo cáo chi phí xe
Hạng mục phụ tùng sẽ được kiểm tra miệng để đánh giá kiến thức và mức độ hiểu biết về phụ tùng đã chọn mua, với thang điểm tối đa là 100 điểm.
Đánh giá năng lực trình bày của sinh viên sẽ được thực hiện thông qua việc mỗi đội tự trình bày phương án thiết kế của mình dựa trên tài liệu xây dựng Thang điểm cho phần đánh giá này là 75 điểm.
Hình 2.5: Kiểm tra khả năng trình bày
Dựa trên tài liệu và chiếc xe, chúng tôi đánh giá các kỹ thuật đã được áp dụng, địa điểm thực hiện và tính phù hợp của những kỹ thuật này với thị trường hiện tại.
Kiểm tra sự phù hợp giữa thiết kế xe và các chi tiết cấu thành là rất quan trọng, bao gồm tính mới, khả năng gia công, bảo trì sửa chữa và tính lắp ráp Tổng điểm cho tiêu chí này là 150 điểm.
2.2.2.2 Nội dung phần thi động
Gia tốc từ 0-75m Mỗi đội 2 lái xe, mỗi lái xe chạy hai lần, tổng cộng 4 lần chạy và đo thời gian (Hình 2.6) Thang điểm [75 điểm]
Hình 2.6: Kiểm tra gia tốc
Đánh giá tính năng quay vòng trên đường hình số 8 được thực hiện với mỗi đội có 2 lái xe, mỗi lái xe thực hiện 2 lần chạy, tổng cộng 4 lần đo thời gian (Hình 2.7+2.8) Thang điểm cho bài kiểm tra này là 50 điểm.
Hình 2.7: Kiểm tra trên đường hình số 8
Hình 2.8: Sơ đồ đường đua hình số 8
Chạy 2 vòng trên đường đua thẳng, quay vòng, gấp khúc khoảng 800m Mỗi đội
Hai lái xe sẽ thực hiện mỗi người hai lần chạy, tổng cộng có bốn lần chạy để đo thời gian Các lượt chạy bền sẽ được sắp xếp theo thứ tự từ đội nhanh nhất đến chậm nhất (Hình 2.9) Thang điểm cho phần thi này là 150 điểm.
Hình 2.9: Kiểm tra vượt chướng ngại vật
• Tiêu hao nhiên liệu: Đánh giá lượng tiêu hao nhiên liệu khi chạy bền Thang điểm [100 điểm]
Cuộc thi diễn ra trên đường đua thẳng, với các đoạn quay vòng và gấp khúc, tổng chiều dài 22 km Mỗi đội gồm 2 lái xe, mỗi người thực hiện 2 lượt chạy, tổng cộng là 4 lần đo thời gian Mục tiêu là đánh giá tính năng tổng thể và độ tin cậy của xe qua thời gian.
Hình 2.10: Kiểm tra chạy bền
Quy định chung trong thiết kế xe của cuộc thi
- Phải có 4 bánh và khoang lái hở (giống xe đua công thức 1)
- Chiều dài cơ sở nhỏ nhất là 1525 mm
- Độ rộng của vết bánh xe nhỏ (bánh trước hoặc bánh sau) không nhỏ hơn 75% độ rộng của vết bánh lớn nhất
Xe cần được trang bị hệ thống treo hiệu quả với các giảm chấn ở cả phía trước và phía sau, cho phép bánh xe di chuyển tối thiểu 50,8 mm, bao gồm 25,4 mm nén và 25,4 mm trả lại so với ghế lái Ban giám khảo có quyền loại bỏ những chiếc xe không cho thấy nỗ lực nghiêm túc trong việc cải tiến hệ thống treo hoặc không chứng minh được tính phù hợp cho các phần thi.
Tất cả các điểm bắt hệ thống treo phải được nhìn thấy dễ dàng trong quá trình kiểm tra kỹ thuật
• Kho ả ng s áng gầm xe
Khoảng sáng gầm xe cần phải đủ cao để đảm bảo không có bộ phận nào của xe, ngoại trừ lốp, chạm vào mặt đường trong quá trình đua Nếu bất kỳ phần nào của xe tiếp xúc với mặt đường, xe sẽ bị tước quyền tham gia một lần chạy hoặc toàn bộ phần thi động.
Quy tắc này nhằm mục đích quy định về "body skirts" và các thiết bị khác có thể gây tiếp xúc không mong muốn với mặt đất, dẫn đến hư hại đường đua theo đánh giá của Ban tổ chức phần thi động Xe dự thi vi phạm sẽ bị tước quyền tham gia một lần chạy hoặc toàn bộ phần thi động.
Hình 2.11: Khoảng sáng gầm xe
- Kích thước lốp phải là 203.2 mm hoặc lớn hơn (đường kính bánh xe không nhỏ hơn 50cm)
Đai ốc bắt bánh xe sử dụng một cặp đai ốc, bao gồm một đai ốc liên kết cố định và một đai ốc bên ngoài hãm chống trôi, nhằm đảm bảo rằng các đai ốc không bị nới lỏng trong quá trình xe di chuyển.
Hình 2.12: Đai ốc liên kết bánh xe
Tiêu chuẩn kỹ thuật cho bu-lông của bánh xe là rất quan trọng, và mọi thay đổi đều phải được giám sát trong quá trình kiểm tra Nhóm nghiên cứu cần phải cung cấp bằng chứng về việc thực hiện đúng kỹ thuật khi sử dụng các bu-lông đã thay đổi hoặc tùy chỉnh theo thiết kế.
Hình 2.13: Bu-lông bánh xe
Vành xe có thể được chế tạo từ vật liệu nhôm, nhưng cần đảm bảo độ cứng và phải ở trong tình trạng nguyên sơ, tức là chưa từng qua sử dụng Điều này rất quan trọng vì vành xe mới sẽ mang lại hiệu suất tốt nhất trong lần đầu sử dụng.
• Lốp xe: Xe có thể được sử dụng hai loại lốp xe như sau:
Lốp khô là thuật ngữ dùng để chỉ các lốp xe khi được trình bày để kiểm tra kỹ thuật Những lốp này có thể có nhiều kích thước và kiểu loại khác nhau, bao gồm cả lốp nhẵn bóng hoặc lốp đã qua xử lý.
• Lốp ướt: lốp ướt có nhiều kích thước hoặc kiểu loại, có thể được xử lý hoặc cắt rãnh tuy nhiên phải đảm bảo yêu cầu sau:
Nếu rãnh lốp đã được cắt giảm độ sâu hoặc sửa đổi, cần có tài liệu chứng minh việc thực hiện theo mẫu hoa lốp do các nhà sản xuất lốp xe cung cấp Độ sâu hoa lốp tối thiểu phải đạt 2,4 mm (3/32 inch).
- Nghiêm cấm các đội tự ý dùng tay cắt rãnh hoặc sửa đổi, bổ sung các lốp xe mà không đảm bảo các điều kiện nêu trên
Trong mỗi bộ lốp xe, việc thay đổi chất liệu, kích cỡ, kiểu loại hoặc kích thước bánh xe là không được phép sau khi kiểm tra đã bắt đầu Ngoài ra, việc hâm nóng lốp xe và sử dụng các biện pháp hỗ trợ lực kéo tác dụng vào lốp xe cũng bị cấm sau khi quá trình đánh giá bắt đầu.
Hệ thống lái của xe cần phải là hệ thống lái cơ khí, với bánh trước dẫn động tối thiểu 2 bánh xe và không được sử dụng hệ thống lái có trợ lực Đồng thời, việc sử dụng hệ thống lái "bằng dây" (by wire) là hoàn toàn cấm.
Hệ thống lái cần có kết cấu hạn chế hành trình "steering stop" rõ ràng để đảm bảo bán kính quay vòng an toàn và ngăn ngừa va chạm với các thanh liên kết của trục Các điểm hạn chế này có thể được lắp đặt trên các giá đỡ moay ơ (upright), đảm bảo rằng trong quá trình hoạt động, lốp xe không va chạm với các bộ phận của hệ thống treo và khung xe trong suốt cuộc thi.
Hình 2.14: Điểm hạn chế hành trình lái
- Phải tác động lên ít nhất 2 bánh xe
- Cho phép độ rơ là 7 0
- Phải là hệ thống lái cơ khí với bánh trước dẫn động
Các tay lái được gắn vào trụ giúp người lái xe nhanh chóng thoát ra khỏi xe khi cần thiết Việc thoát ra kịp thời là rất quan trọng, đặc biệt khi người lái nhận thấy có dấu hiệu bất thường trong quá trình lái xe.
- Các vô lăng phải có một vành đai liên tục hình tròn hoặc hình bầu dục, nhưng không được có phần lõm
- Chiếc xe phải được trang bị hệ thống phanh tác động lên tất cả bốn bánh xe và được điều khiển bởi một hệ thống điều khiển duy nhất
Hệ thống phanh của xe cần được trang bị cho cả 4 bánh hoặc tối thiểu 2 cơ cấu phanh trên 2 cầu xe, đảm bảo khả năng phanh an toàn ngay cả khi một dòng bị hỏng Đối với phanh dẫn động bằng thủy lực, cần có khoang dự trữ dầu và 2 đường dầu độc lập để nâng cao độ tin cậy và hiệu suất phanh.
- Có thể phanh bằng cách hạn chế sự trượt của vi sai
- Hệ thống phanh phải khóa được cả 4 bánh xe khi cần thiết
- Hệ thống phanh không được dẫn động bằng dây
- Không được sử dụng ống nhựa làm ống tuyô
- Các hệ thống phanh phải có bộ phận bảo vệ khi các va chạm xảy ra
- Bàn đạp phanh phải chịu được 1 lực tối đa là 2000N
- Bàn đạp phanh có thể được chế tạo từ thép, nhôm, hoặc titan
+ Kiểm tra hệ thống phanh :
Hệ thống phanh phải đảm bảo khả năng khóa cả 4 bánh xe và dừng xe trong một quãng đường nhất định, dưới sự giám sát của người giám định trong quá trình kiểm tra.
+ Công tắc quá giới hạn phanh :
Công tắc quá giới hạn phanh là một thiết bị quan trọng trên xe, được thiết kế để tự động kích hoạt khi hệ thống phanh gặp sự cố hoặc không hoạt động Chức năng chính của nó là tắt động cơ, ngắt hệ thống đánh lửa và bơm nhiên liệu, nhằm đảm bảo an toàn cho người lái và hành khách.
- Sự điều khiển lặp đi lặp lại của công tắc không có tác dụng bật lại nguồn cho các bộ phận này
Quy trình tính toán thiết kế hệ thống treo xe Formula Car
Nghiên cứu luật cuộc thi Formula Car Quy định về an toàn
Các yếu tố tối ưu
Xác định lựa chọn hệ thống treo phù hợp với tiêu chuẩn thiết kế
Lựa chọn vật liệu chế tạo hệ thống treo
Thiết kế các chi tiết của hệ thống treo
Kiểm nghiệm bền hệ thống treo
Thiết kế hệ thống treo
Tối ưu hóa hệ thống treo
Chế tạo hệ thống treo
Bố trí chung các hệ thống trên xe
Việc bố trí hệ thống trên xe ảnh hưởng lớn đến việc chế tạo hệ thống treo Chiếc xe tham dự cuộc thi Formula SAE là một xe đua công thức nhỏ, một chỗ ngồi, 4 bánh và khoang lái hở, với tổng dung tích xy lanh không quá 610 cc Để giảm khối lượng, hầu hết các đội đua lựa chọn động cơ xe máy 600 cc cùng hộp số đi kèm.
Trên xe Formula Car hầu hết đó là động cơ đặt sau dẫn động cẩu sau, sử dụng truyền động xích từ hộp số đến vi sai (Hình 2.15 + 2.16)
Hình 2.15: Bố trí chung các hệ thống trên xe
1 Người lái 2 Động cơ 600cc 3 Hệ thống truyền lực (visai torsen)
4 Hệ thống lái 5 Ắc quy 6 Khung xe
Hình 2.16: Bố trí các cụm trên xe
Bố trí người lái trong khoang xe
Thiết kế chỗ ngồi của người lái xe Formula Car phải bảo đảm:
- Đảm bảo không gian ghế ngồi, thoải mái khi điều khiển
- Đảm bảo khả năng quan sát rộng
- Đảm bảo khả năng điều khiển bằng chân (bàn đạp ly hợp, phanh, ga,…)
- Đảm bảo khả năng điều khiển bằng tay (vô lăng, các loại công tắc)
- Đảm bảo tính an toàn cho người lái khi xảy ra va chạm
Hình 2.17: Khoảng cách từ đỉnh đầu người lái tối thiểu là 50mm
Hình2.18: Khoảng cách từ phía sau đầu người lái đến đường chéo sau tối thiểu là 50mm
Hình 2.19: Các thanh chéo bảo vệ bên có góc nghiêng tối thiểu là 30 độ và đặt cách đỉnh tối đa 160mm
Hình 2.20: Khoảng cách từ thanh bảo vệ bên tới mặt đất
2.6.1 Sơ đồ nhân chủng học (sơ đồ kích thước của con người)
Hiện nay, Việt Nam chưa có tiêu chuẩn về sơ đồ kích thước của người lái xe Dựa trên tiêu chuẩn nhân chủng học của Đức, tác giả đã xây dựng sơ đồ kích thước dành cho người lái xe Formula Car phù hợp với chiều cao của người Việt Nam.
Kích thước các bộ phận trên cơ thể:
1.KT1: kích thước từ khớp cổ tay tới khớp khủy tay
2.KT2: kích thước từ khởi khủy tay tới khớp vai
3.KT3: kích thước từ khớp vai tới khớp hông
4.KT4: kích thước từ khớp hông tới khớp đầu gối
5.KT5: kích thước từ khớp đầu gối tới khớp cổ chân
6.KT6: kích thước từ khớp cổ chân tới khớp mặt bàn chân
7.KT7: chiều cao trung bình
Hình 2.21: Mô hình người ngồi theo tiêu chuẩn của quốc gia Đức VDI 2780
Góc giữa trục cẳng chân và đùi là 100º - 130 º
Góc giữa trục của đùi và trục của thân người là 100 º - 105 º
Góc giữ trục cổ tay và cánh tay là 105 º - 115 º
Góc giữa trục cổ tay và mặt phẳng vành vô lăng là 4 º
Góc giữa trục thân người với trục thẳng đứng qua đầu là 20 º - 30 º
Giá trị góc giữa các bộ phận trên cơ thể đóng vai trò quan trọng trong việc thiết kế ghế ngồi tiện nghi Những giá trị góc trung bình thích hợp giúp đảm bảo sự thoải mái và hỗ trợ tối ưu cho người sử dụng.
Góc giữa khủyu chân và bàn chân phải là rất quan trọng vì luôn luôn đặt lên bàn đạp ga
Từ mô hình nhân chủng học của con người, tác giả đã xây dựng được các kích thước cơ bản của người lái xe Formula Car như sau:
Bảng 2.3: Bảng kích thước cơ thể người lái xe Formula Car
Kích thước Chiều dài (mm)
Ngoài các thông số trên, khi thiết kế ghế ngồi người ta còn quan tâm tới:
- Điểm tiếp xúc với ghế ngồi H làm cơ sở cho việc thiết kế (H là điểm tiếp xúc với ghế ngồi – là điểm quay của chân và thân người)
- Điểm tiếp xúc F: là giao điểm của 3 mặt phẳng (mặt phẳng sàn xe, mặt phẳng bàn đạp, mặt phẳng đi qua dọc ống chân)
- Vị trí ghế ngồi được mô tả bằng hai giá trị đặc trưng:
- Khoảng cách nằm ngang của điểm H so với điểm F(x)
- Khoảng cách theo trục đứng của điểm H so với điểm F(z)
Hình 2.22: Vị trí ghế ngồi người lái xe Formula car
Loại xe Chiều cao điểm H so với điểm F (mm)
Xe thể thao 100 đến 200 180 đến 250
Bảng 2.4: Bảng kích thước giữa các bộ phận người lái xe Formula car 2.6.3 Dựng mô hình kích thước người lái xe Formula car
Lựa chọn động cơ sử dụng xe Formula car
Theo quy định của cuộc thi Formula SAE, động cơ được sử dụng cho xe đua phải là động cơ đốt trong 4 kỳ với dung tích không vượt quá 610 cc Vì vậy, hầu hết các đội tham gia cuộc thi này trên toàn thế giới thường chọn động cơ của xe máy phân khối lớn (600 cc) cho chiếc xe của mình.
Qua tìm hiểu trên thị trường có các loại động cơ 600 cc của các hãng: Honda, Suzuki, Yamaha, Kawasaki, Triumph
Cuộc thi Formula SAE không chỉ kiểm tra khả năng tăng tốc và độ bền của xe mà còn đánh giá hiệu suất tiêu thụ nhiên liệu Do đó, động cơ được lựa chọn cần có công suất và mô men xoắn cao, đồng thời tiêu thụ nhiên liệu thấp Tác giả đã dựa vào biểu đồ so sánh các động cơ để chọn lựa động cơ phù hợp cho chiếc xe Formula car của mình.
Hình 2.24: So sánh công suất giữa các động cơ
Hình 2.25: So sánh mô men xoắn giữa các động cơ lựa chọn
Dựa trên kết quả so sánh giữa các loại động cơ, tác giả đã quyết định chọn động cơ của xe Honda CBR600RR năm 2009 cho chiếc xe Formula car đang được nghiên cứu.
Bảng 2.6: Bảng thông số động cơ sử dụng trên xe Formula car
Loại động cơ 599 cc xăng làm mát, 4 xi lanh thẳng hàng
Kích thước xi lanh 67.0 mm * 42.5 mm
Van đóng mở DOHC ; 4 van cho một xi lanh
Sự phun nhiên liệu Phun nhiên liệu điện tử
Công suất 76.2 kW tại 12.600 rpm
Momen xoắn 61.3 Nm tại 11.210 rpm
Hộp số 6 số côn tay
GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG TREO NÓI CHUNG VÀ HỆ THỐNG TREO TRÊN XE FORMULA CAR
HỆ THỐNG TREO NÓI CHUNG
Hệ thống treo ôtô kết nối khung hoặc vỏ xe với các cầu, đảm bảo chuyển động êm ái trên các bề mặt đường không bằng phẳng Nó còn có nhiệm vụ truyền lực và mômen từ bánh xe lên khung hoặc vỏ xe Mỗi bộ phận trong hệ thống treo đảm nhận những chức năng riêng biệt để tối ưu hóa hiệu suất và sự ổn định của xe.
• Bộ phận đàn hồi làm giảm nhẹ các tải trọng động tác dụng từ bánh xe lên khung và đảm bảo độ êm dịu cần thiết khi chuyển động
Bộ phận dẫn hướng có vai trò truyền lực dọc, ngang và mômen từ đường lên các bánh xe, xác định động học của nó Điều này ảnh hưởng đến tính chất dịch chuyển tương đối của bánh xe so với khung, góp phần vào hiệu suất và ổn định của phương tiện.
• Bộ phận giảm chấn để dập tắt các dao động của phần được treo và không được treo của ôtô
3.1.2.1 Hệ thống treo phụ thuộc
Hai bánh xe trái và phải được kết nối bởi một dầm cứng, dẫn đến việc khi một bánh xe di chuyển trong mặt phẳng ngang, bánh xe còn lại cũng di chuyển theo Vì vậy, hệ thống treo phụ thuộc không thể đảm bảo hoàn toàn tính chính xác trong động học của bánh xe dẫn hướng.
Hệ thống treo phụ thuộc thường được áp dụng cho cầu sau của ôtô du lịch và được sử dụng trên tất cả các cầu của ôtô tải cũng như ôtô khách loại lớn.
• Trong quá trình chuyển động, vết bánh xe được cố định do vậy không xảy ra mòn lốp nhanh như ở hệ thống treo độc lập
• Khi ôtô quay vòng chỉ có thùng xe nghiêng còn cầu vẫn thăng bằng, do đó lốp ít mòn
• Khi chịu lực bên (ly tâm, đường nghiêng, gió bên) hai bánh xe liên kết cứng, vì vậy hạn chế hiện tượng trượt bên bánh xe
• Kết cấu đơn giản, rẻ tiền, nhíp vừa làm nhiệm vụ đàn hồi vừa dẫn hướng và giảm chấn
• Số khớp quay ít và không cần phải bôi trơn khớp quay
• Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, dễ tháo lắp và sửa chữa, giá thành rẻ
Khi nâng một bên bánh xe, vết bánh xe sẽ thay đổi, dẫn đến việc giảm tính chất bám đường của ôtô và làm tăng nguy cơ trượt ngang Hệ thống treo ở các bánh xe, đặc biệt là ở các bánh xe chủ động, có trọng lượng phần không được treo lớn, ảnh hưởng đến sự ổn định của xe.
• Sự nối cứng bánh xe hai bên nhờ dầm liền làm phát sinh những dao động nguy hiểm ở bánh xe trong giới hạn vận tốc chuyển động
Hệ thống treo phụ thuộc ở bánh xe dẫn hướng gây ra sự thay đổi độ nghiêng giữa hai bánh khi một bánh xe di chuyển thẳng đứng Hiện tượng này tạo ra moment do hiệu ứng con quay, ảnh hưởng đến chuyển động góc của các cầu và bánh dẫn hướng quanh trục quay.
• Khó bố trí các cụm của ôtô nếu đặt hệ thống treo phụ thuôc ở đằng trước
Các hệ thống treo phụ thuộc đang dùng phổ biến cho ôtô bao gồm:
- Hệ thống treo có bộ phận đàn hồi là nhíp lá
- Hệ thống treo có bộ phận đàn hồi là lò xo trụ
37 a Hệ thống treo phụ thuộc loại nhíp lá a) b)
Hình 3.1: Hệ thống treo phụ thuộc loại dùng là nhíp a) Hệ thống treo loại nhíp lá ở cầu không chủ động b) Hệ thống treo loại nhíp lá ở cầu chủ động
Nhíp đóng vai trò quan trọng trong hệ thống treo, vừa là cơ cấu đàn hồi, vừa là cơ cấu dẫn hướng và có chức năng giảm chấn Điều này giúp đơn giản hóa kết cấu của hệ thống treo.
Nhíp có vai trò quan trọng trong việc dẫn hướng, cho phép truyền tải lực dọc (bao gồm lực kéo và lực phanh) cũng như lực ngang từ bánh xe qua cầu xe lên khung.
• Chức năng đàn hồi theo phương thẳng đứng
• Ngoài ra nhíp cũng có khả năng truyền các mômen từ bánh xe lên khung, đó là mômen kéo hoặc mômen phanh
• Trọng lượng nhíp nặng hơn tất cả bộ phận đa n hồi khác, nhíp kể cả giảm chấn chiếm từ 5,5% - 8% trọng lượng bản thân ôtô
• Thời hạn phục vụ ngắn do các ứng suất ban đầu, do trạng thái ứng suất phức tạp, do lực động và lặp lại nhiều lần
Đường đặc tính đàn hồi cần phải là một đường cong, tuy nhiên trong thực tế, độ cứng của nhíp lại được coi là hằng số Hệ thống treo sử dụng phần tử đàn hồi là lò xo trụ.
Hệ thống treo phụ thuộc có phần tử đàn hồi là lò xo trụ có thể được bố trí ở cầu bị động (Hình 3.2a) hoặc ở cầu chủ động (Hình 3.2b)
• Nếu có cùng độ cứng và độ bền thì lò xo trụ có trọng lượng nhẹ hơn nhíp
Lò xo trụ có tuổi thọ cao hơn nhíp do không có ma sát giữa các vành lò xo trong quá trình hoạt động, điều này giúp giảm thiểu sự hao mòn Hơn nữa, lò xo trụ không yêu cầu bảo dưỡng và chăm sóc phức tạp như nhíp, mang lại sự tiện lợi cho người sử dụng.
Lòxo trụ chỉ đảm nhận chức năng đàn hồi, trong khi các nhiệm vụ dẫn hướng và giảm chấn phải được thực hiện bởi các bộ phận khác, dẫn đến sự phức tạp trong kết cấu.
Hình 3.2: Hệ thống treo phụ thuộc dùng lò xo trụ a)Bố trí ở cầu trước, b) Bố trí ở cầu sau
3.1.2.2 Hệ thống treo độc lập
Hệ thống treo độc lập cho phép hai bánh xe trái và phải hoạt động độc lập mà không ảnh hưởng lẫn nhau Khi một bánh xe di chuyển trong mặt phẳng ngang, bánh xe còn lại giữ nguyên vị trí, mang lại sự ổn định và hiệu suất tốt hơn cho xe.
Hệ thống treo độc lập là công nghệ phổ biến cho cầu trước của ôtô du lịch, và hiện nay, nhiều loại ôtô đã áp dụng hệ thống này cho cả cầu sau.
• Khi dịch chuyển bánh xe này trong mặt phẳng ngang bánh xe kia vẫn đứng nguyên, do đó động học của bánh dẫn hướng được giữ đúng
Khả năng quay vòng của xe được cải thiện nhờ vào việc đảm bảo tốc độ quay của hai bánh xe trái và phải không bị ràng buộc nhiều, điều này khác biệt so với hệ thống treo phụ thuộc.
Góc khối lượng không treo của hệ thống nhỏ hơn so với hệ thống treo phụ thuộc, giúp tăng trọng lượng bám và độ êm dịu của ôtô Điều này đảm bảo rằng khi di chuyển, các bánh xe không làm thay đổi các góc quay, mang lại sự ổn định cho xe.
LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG TREO CHO XE FORMULA
3.2.1 Nhiệm vụ, yêu cầu về hệ thống treo trên xe formula Car
• Đỡ toàn bộ thân xe, truyền lực phanh, lực tăng tốc, lực ngang từ thân xe xuống mặt đường và ngược lại
• Giữ xe ổn định, chống lật nhào
• Giữ bánh xe tiếp xúc tốt nhất với mặt đường
• Hạn chế rung động làm ảnh hưởng tới các hệ thống khác và người lái
3.2.1.2 Yêu cầu Để lựa chọn một phương án thiết kế hệ thống treo phù hợp cho xe Formula, ta dựa trên 3 tiêu chí:
• Thỏa mãn luật của cuộc thi
• Đảm bảo nhiệm vụ và có tính năng làm việc đạt hiệu quả cao, phù hợp với thực tế tham gia đua
• Dễ gia công thủ công, đơn chiếc, giá thành rẻ… phù hợp phương thức chế tạo tại Việt Nam a) Luật cuộc thi đối với hệ thống treo:
• Xe phải trang bị hệ thống treo 4 bánh hở
• Hành trình treo tối thiểu 2 inch (57 mm)
• Các thành phần hệ thống treo phải được nhìn thấy khi tiến hành kiểm tra xe
• Xe nghiêng 60 0 không bị lật b) Thực tế khi tham gia đua
Khi tham gia đua có 2 phần thi chính mà hệ thống treo có ảnh hưởng lớn tới kết quả là Tăng tốc và Chạy đường số 8
• Trong phần thi tăng tốc, hệ thống treo phải đảm bảo tính năng bám đường để xe có khả năng tăng tốc tốt nhất
• Trong phần thi chạy đường số 8, hệ thống treo phải đảm bảo cân bằng cho xe, chống lật xe và các bánh xe không bị mất tiếp xúc
Để đạt được kết quả tốt trong từng phần thi, cần điều chỉnh góc đặt bánh xe cho phù hợp với yêu cầu của mỗi phần Vấn đề gia công chế tạo tại Việt Nam cũng cần được xem xét kỹ lưỡng để nâng cao hiệu quả và chất lượng sản phẩm.
• Sản xuất kiểu đơn chiếc, kinh phí thấp
• Phương pháp gia công ở Việt Nam nói chung còn thiếu thốn và giản đơn
• Hệ thống phải dễ dàng tháo lắp, sửa chữa
• Dễ dàng thay đổi sau khi đã thiết kế
3.2.2 Một số hệ thống treo điển hình và lựa chọn phương án thiết kế hệ thống treo
3.2.2.1 Một số hệ thống treo điển hình
Hệ thống treo với hai đòn ngang là lựa chọn phổ biến cho xe đua nhờ khả năng dễ dàng điều chỉnh góc bánh xe và tiếp nhận hiệu quả lực ngang, lực dọc trong quá trình di chuyển Tuy nhiên, vị trí lắp đặt bộ phận đàn hồi và giảm chấn có sự khác biệt giữa các loại xe, tùy thuộc vào kết cấu cụ thể của từng mẫu xe.
Giảm chấn được lắp đặt với một đầu tỳ vào cò mổ nối thân xe và đầu còn lại tỳ trực tiếp vào đòn ngang dưới, đảm bảo tối ưu hóa không gian lắp đặt.
Hệ thống treo 2 đòn ngang giảm chấn đặt giữa giúp giảm mô men xoắn lên giá đỡ moay ơ nhờ việc kết nối trực tiếp đầu dưới của giảm chấn với đòn dưới, không cần thông qua các cơ cầu Ngược lại, cách bố trí trong Hình 3.10 truyền tải trọng động của xe qua bộ phận đàn hồi và giảm chấn thông qua một đòn ngang đơn tới khung xe, cho phép hệ thống chịu lực tác động từ mặt đường hiệu quả hơn.
Khi thiết kế hệ thống treo cho 50 đường đòn ngang, cần chú ý đến dao động xoắn mà chúng phải chịu Việc kiểm nghiệm bền là rất quan trọng để đảm bảo tính ổn định của hệ thống.
Hình 3.10 Hệ thống treo 2 đòn ngang giảm chấn đặt ngoài
Hệ thống treo phức tạp hơn khi bố trí các bộ giảm chấn và lò xo dọc theo thân xe, giúp cải thiện tính năng động lực học và linh hoạt trong việc thay đổi góc kết cấu Nhiều siêu xe hiện nay đã áp dụng kiểu hệ thống treo này, nhưng việc nghiên cứu và lắp đặt đòi hỏi quy trình thiết kế, lắp ráp và thử nghiệm kéo dài, hoặc cần tham khảo tài liệu thiết kế từ các hãng sản xuất.
Hệ thống treo 2 đòn ngang với giảm chấn nằm ngang 3.2.2.2 Lựa chọn phương án thiết kế hệ thống treo cho xe Formula Car
Tác giả lựa chọn là hệ thống treo kiểu 2 đòn chữ A, sử dụng cò mổ và đòn đẩy cho xe Formula Car với những ưu điểm:
- Tính năng động lực học tốt
- Dễ dàng điều chỉnh các góc đặt và hành trình treo
- Dễ dàng tháo lắp, sửa chữa
- Thích hợp cho sản xuất nhỏ, chi phí sản xuất thấp
- Thiết kế có thể dễ dàng sửa đổi theo yêu cầu
- Phù hợp với điều kiện ở Việt Nam
THIẾT KẾ TÍNH TOÁN HỆ THỐNG TREO XE FORMULA
Yêu cầu khi chọn sơ bộ thiết kế hệ treo
Để lựa chọn một phương án thiết kế hệ thống treo phù hợp cho xe Formula, tác giả dựa trên 3 tiêu chí:
• Thỏa mãn luật của cuộc thi
• Đảm bảo nhiệm vụ và có tính năng làm việc đạt hiệu quả cao, phù hợp với thực tế tham gia đua
• Dễ gia công thủ công, đơn chiếc, giá thành rẻ… phù hợp phương thức chế tạo tại Việt Nam.
Tính toán các thông số cơ bản của hệ treo
CÁC THÔNG S Ố TRÊN XE THAM KH Ả O
TT Thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị
1 Tự trọng toàn bộ G0 215 kg
2 Phân bố cầu trước G1 92.45 kg
3 Phân bố cầu sau G2 122.5 kg
5 Chiều dài cơ sở L 1700 mm
6 Vận tốc cực đại Vmax 165 km/h
7 Số người cho phép n 1 Người
4.2.1.1 Các thông số cơ bản
Trong thiết kế luận văn, tần số dao động đóng vai trò quan trọng trong việc lựa chọn các thông số cơ bản của bộ phận đàn hồi.
Tần số dao động trong hệ thống treo ảnh hưởng trực tiếp đến độ êm dịu của xe Đối với xe chở người, tần số dao động thường dao động từ 60 đến 90 lần/phút, trong khi xe tải có thể sử dụng tần số cao hơn, từ 90 đến 120 lần/phút Đối với xe đua trong cuộc đua Formula, do điều kiện đường đua nhẵn và không gian hạn chế, yêu cầu về độ êm dịu của hệ thống treo được giảm xuống Mối quan hệ giữa tần số dao động và độ võng tĩnh của bộ phận đàn hồi được thể hiện qua công thức: n =
Khi đó độ võng tĩnh ft được tính gần đúng là : ft = (cm)
Chọn n0 khi đó ft = = 6,25 (cm)
Với g là gia tốc trọng trường (m/s 2 )
Khi đó độ cứng của bộ phận đàn hồi được xác định bởi công thức:
C Với là lực tĩnh tác dụng lên phần tử đàn hồi
• Tính độ cứng phần tử đàn hồi hệ thống treo trước C t
Tải trọng phân bố lên cầu trước theo xe tham khảo:
G1 = 92,45 9,81 = 906,9 (N) Tải trọng tĩnh tác dụng lên 1 phần tử đàn hồi cầu trước
= (G1 – 200)/2 = ( 906,9 – 200)/2 = 353.45 (N) Độ cứng của 1 phần tử đàn hồi của hệ thống treo trước:
• Tính độ cứng phần tử đàn hồi hệ thống treo sau C s
Tải trọng phân bố lên cầu sau theo xe tham khảo:
Tải trọng tĩnh tác dụng lên 1 phần tử đàn hồi cầu sau
= (G1 – 250)/2 = ( 1202,2 – 250)/2 = 476 (N) Độ cứng của 1 phần tử đàn hồi của hệ thống treo sau:
4.2.1.2 Đặc tính đàn hồi Đặc tính đàn hồi thể hiện quan hệ giữa độ võng f và tải trọng tác dụng theo phương thẳng đứng Z Độ võng động (fđ): ngoài độ võng tĩnh, để đảm bảo cho xe chuyển động êm dịu, hệ thống treo còn phải có dung năng động đủ lớn để tránh xẩy ra va đập giữa các phần tử được treo và không được treo khi ôtô chuyển động trên đường không bằng phẳng Dung năng động của hệ thống treo là công cần thiết để làm biến dạng hệ thống treo từ vị trí ứng với tải trọng tĩnh cho đến giá trị lớn nhất Để tăng dung năng động cần phải tăng độ võng động hoặc tăng độ cứng của hệ thống treo Tuy nhiên tăng độ võng động sẽ làm tăng dịch chuyển tương đối của thùng xe với bánh xe do đó làm:
- Giảm tính ổn định của ôtô
- Tăng yêu cầu đối với bộ phận dẫn hướng
Điều kiện dẫn động lái hiện nay rất phức tạp, với độ võng động được giới hạn cụ thể Đối với xe đua, giá trị được chọn là fđ = 0,75.ft, tương ứng với fđ = 0,75 x 6,25 = 4,69 cm.
Khi đó tải trọng lớn nhất tác mà bộ phận đàn hồi có thể chịu được là: Tải trọng lớn nhất đối với cầu trước:
= C t (ft + fđ) = 5655,2 (0,0625 + 0,0469) = 618,68 (N) Tải trọng lớn nhất đối với cầu sau:
Từ các thông số trên ta thiết lập đồ thị đặc tính đàn hồi cho 1 phần tử đàn hồi
Hình 4.1 Đặc tính đàn hồi của hệ thống treo
4.2.1.3 Tính toán lò xo trụ Ở chế độ tải tĩnh, độ biến dạng của lò xo chính là độ võng tĩnh được nhắc ở phần trên ft Ứng suất mà lò xo phải chịu là :
= => = ft Ở chế độ tải trọng tĩnh = fđ Ở chế độ tải trọng động
Zt tải trọng tĩnh đặt lên phần tử lò xo
D đường kính trung bình lò xo trụ d đường kính dây lò xo
G mô đun đàn hồi chống xoắn của lò xo phụ thuộc vào vật liệu làm lò xo
Vậy chọn lò xo sao cho thỏa mãn ≤ [] = 800 (MPa)
Hệ thống treo hoạt động bằng cách dập tắt dao động thông qua lực cản dao động Qc, chủ yếu được tạo ra bởi giảm chấn và một phần từ ma sát trong hệ thống Đặc biệt, nếu hệ thống treo sử dụng nhíp, thì lực cản cũng sẽ đến từ ma sát giữa các lá nhíp.
Lực cản dao động trong hệ thống treo của ô tô phụ thuộc vào vận tốc dao động của vỏ xe so với bánh xe V và tuân theo một quy luật nhất định.
Qc = kV m Với : k: hệ số đặc trưng cho sức cản dao động của hệ thống treo, chủ yếu phụ thuộc vào hệ số cản của giảm chấn
V : vận tốc dao động của giảm chấn V = 0,3 m/s m = 2 đối với vùng tốc độ thường có của giảm chấn (có thể chấp nhận m
Khi giảm chấn được lắp đặt trên ô tô, khả năng dập tắt dao động của nó được xác định bởi hệ số tắt chấn tương đối Ψ, trong đó C là độ cứng của hệ thống treo.
M là khối lượng tĩnh trên một bánh xe Ψ = 0.15 ÷ 0.3
Từ công thức trên rút ra : k Với hệ thống treo trước ta có k t = = 12,07 (Ns/m)
Với hệ thống treo cầu sau ta có
Hệ số cản của giảm chấn (kg) được xác định dựa trên hệ số k, tùy thuộc vào cách bố trí giảm chấn trong hệ thống treo Trong đó, giảm chấn được lắp đặt nghiêng một góc δ, như thể hiện trong hình vẽ.
Hình 4.2 Góc đặt giảm chấn
Hệ số cản được tính theo công thức : kg Chọn góc đặt giảm chấn : δ = 15 0
Khi đó hệ số cản của giảm chấn trên cầu trước là : g = 12,07/(cos 15) 2 (Ns/m)
Hệ số cản của giảm chấn trên cầu sau là :
= 17,42 0,3 = 5,16 (N) Xác định lực cản giảm chấn
Với giảm chấn được bố trí hợp phương thẳng đứng 1 góc δ 0 ta có lực tác dụng lên giảm chấn Pg:
P g = Q c = Vận tốc dao động của giảm chấn Vg: g
Do đặc tính làm việc của giảm chấn không đối xứng nên lực cản giảm chấn ở hành trình nén và trả là khác nhau:
Lực tác dụng lên giảm chấn trong hành trình nén: Pgn=kgn.Vg
Lực tác dụng lên giảm chấn trong hành trình trả: Pgt=kgt.Vg
Khi thiết kế, hệ số cản kg được tính bằng công thức kg = (kgn + kgt)/2, trong đó kgn là hệ số cản của giảm chấn trong hành trình nén và kgt là hệ số cản của giảm chấn trong hành trình trả.
Các loại giảm chấn hiện nay trên ô tô thường là không đối xứng, giúp giảm thiểu chấn động khi di chuyển qua đường gồ ghề Khi xe đi qua các bề mặt không bằng phẳng, hành trình nén của giảm chấn nhỏ, mang lại cảm giác êm ái cho hành khách Năng lượng tiêu hao chủ yếu diễn ra trong hành trình trả, khi lực cản của giảm chấn tăng lên đáng kể Đặc tính làm việc của giảm chấn được chia thành hai giai đoạn chính.
Giai đoạn làm việc bình thường với vận tốc nhỏ V n1 và V t1 , (V n1 =V t1 ≈0,3m/s)
Gọi là hành trình nén nhẹ và trả nhẹ Trong thiết kế người ta thường chọn: kgt = (2,5 ÷ 3,0) kgn
Với hệ thống treo trước ta tính được : kgt1 = 19 ; kgn1 = 7
Hành trình nén: Pgn1=kgn.Vn1=7.0,3 = 2,1 (N)
Hành trình trả: Pgt1=kgt.Vt1 0,3 = 5,7 (N)
Với hệ thống treo sau ta có: kgt1 = 26,13 ; kgn1 = 8,71
Hành trình nén: Pgn1 = kgn.Vn1 = 8,71 0,3 = 2,63 (N)
Hành trình trả: Pgt1 = kgt Vt1 = 26,3 0,3 = 7,89 (N)
Trong giai đoạn làm việc với chế độ giảm tải và vận tốc lớn hơn Vn1 và Vt1, các van giảm tải đã mở, dẫn đến hệ số cản của giảm chấn giảm xuống còn k ’ gn và k ’ gt Cụ thể, khi tính toán, ta có k ’ gn = 0,6.kgn và k ’ gt = 0,6.kgt.
Vận tốc làm việc tối đa của giảm chấn thường không vượt quá 0,6m/s Lực cản tối đa của toàn bộ hành trình được tính toán dựa trên các cầu cụ thể.
Lực cản của giảm chấn trên cầu trước:
Pgn2 = Pgn1 + k ’ gn (Vn2 – Vn1) = 2,1 + 0,6 7 (0,6 – 0,3) = 3,36 (N)
Pgt2 = Pgt1 + k ’ gt (Vt2 – Vt1) = 5,7 + 0,6 19 (0,6- 0,3) = 9,12 (N)
Tương tự ta xác định lực cản của giảm chấn trên cầu sau:
Pgn2 = Pgn1 + k ’ gn (Vn2 – Vn1) = 2,63 + 0,6 8,71 (0,6 – 0,3) = 4,2 (N) Hành trình trả:
Pgt2 = Pgt1 + k ’ gt (Vt2 – Vt1) = 7,89 + 0,6 26,3 (0,6- 0,3) = 12,6 (N)
Dựa trên các thông số tính toán, chúng ta có thể xây dựng đường đặc tính của giảm chấn, từ đó làm cơ sở cho việc lựa chọn loại giảm chấn phù hợp Khi lựa chọn, cần chú ý chọn loại giảm chấn có khả năng điều chỉnh đường đặc tính để đảm bảo hiệu suất tối ưu.
Động lực học hệ thống treo – cơ sở thiết kế, tính toán và lựa chọn các chi tiết khác
4.3.1 Động lực học hệ thống treo
Bánh xe lăn trên đường cần được gắn chặt với cầu xe hoặc hệ treo bánh xe Đối với các bánh xe dẫn hướng, chúng cần được đặt trên các trụ quay để có thể thay đổi hướng chuyển động Việc quay bánh xe trên trục yêu cầu bố trí các ổ bi, cùng với khả năng quay bánh xe xung quanh trụ đứng nhờ các bạc, ổ bi và khớp cầu Để thuận lợi cho việc tính toán và nghiên cứu, chúng ta sẽ nhắc lại cấu tạo cơ bản của hệ thống treo được sử dụng trên xe.
Hình 4.4: Cấu tạo hệ thống treo 2 đòn ngang
Hệ thống treo được thiết kế đối xứng với mỗi bên bánh xe có hai đòn ngang, bao gồm một đòn phía trên và một đòn phía dưới (càng chữ A) Đầu trong của đòn liên kết bằng khớp trụ, trong khi đầu ngoài kết nối với đòn quay qua khớp cầu, với bánh xe được gắn chặt vào đòn quay Bộ phận đàn hồi và giảm chấn được lắp đặt giữa thân xe và đòn ngang dưới (hoặc đòn ngang trên) Các đòn ngang trên và dưới thường không song song và có độ dài khác nhau, điều này ảnh hưởng lớn đến động lực học quay vòng của xe Hình dạng chữ A của các đòn ngang giúp tiếp nhận hiệu quả lực dọc và lực ngang.
Sự bố trí giá đỡ moay ơ, càng chữ A hay góc quay trụ đứng tạo nên góc kết cấu được miêu tả trong hình dưới đây:
- Góc tạo bởi trụ đứng với mặt phẳng dọc đi qua tâm bánh xe gọi là góc Kingpin (Hình 4.5)
- Khoảng cách từ vết trụ đứng trên mặt đường với vết bánh xe là bán kính Scrub (Hình 4.5)
-Góc tạo bởi trụ đứng với mặt phẳng ngang đi qua tâm bánh xe gọi là góc Caster (Hình 4.5)
- Khoảng cách từ tâm bánh xe tới hình chiếu trụ đứng trên mặt phẳng dọc xe gọi là độ lệch Caster (Hình 4.5)
- Vệt Caster là khoảng cách từ vệt trụ đứng trên mặt đường tới vết bánh xe khi chiếu lên mặt phẳng dọc qua tâm bánh xe (Hình 4.5)
Hình 4.5: Góc kết cấu hệ thống treo
• Góc đặt bánh xe bao gồm độ chụm bánh xe (góc Toe) và góc nghiêng ngang bánh xe (góc Camber) được thể hiện trên Hình 4.6
Hình 4.6: Các góc đặt bánh xe
Tâm quay là điểm tức thời di chuyển theo hướng quay của khối lượng treo giữa hai tâm bánh xe Tâm quay sẽ thay đổi vị trí trái phải và lên xuống trong quá trình quay, với mức dịch chuyển nhỏ và đều, nhằm tránh việc tâm quay di chuyển ra ngoài và hướng lên trên.
Tâm quay tức thời được xác định với độ cao tính từ mặt đất, thường là 30~40mm cho bánh trước và 50~60mm cho bánh sau, trong đó bánh sau thường có độ cao lớn hơn bánh trước.
Hình 4.8: Tâm quay tức thời hệ thống treo nhìn từ đầu xe
Chống chúi đầu và bênh đuôi là yếu tố quan trọng trong thiết kế xe, ảnh hưởng đến sự ổn định khi phanh Khi phanh, lốp xe di chuyển lên xuống so với thân xe, tạo ra tác động lên hiện tượng chúi đầu và bênh đuôi Để hạn chế những ảnh hưởng này, có thể sử dụng các càng liên kết, nhưng mục tiêu thiết kế vẫn là đạt giá trị lực chúi đầu và bênh đuôi bằng 0.
Hình 4.9: Quan hệ lực chống chúi bánh trước và lực chống bênh bánh sau với lực quán tính tác dụng vào bánh trước, bánh sau
Hình 4.10: Tâm quay tức thời nhìn từ sườn xe
Lực Squat (chúi đuôi bênh đầu) xuất hiện khi gia tốc, với lực chủ động và lực quán tính tác động lên xe Để tối ưu hóa thiết kế, có thể bố trí thanh liên kết như trong Hình 4.11 và Hình 4.12, nhằm làm lực Squat bằng 0, từ đó giảm thiểu lực chống Squat trong quá trình thiết kế.
4.3.2 Sự ảnh hưởng của góc đặt bánh xe tới động lực học của xe
Bán kính quay Scrub, góc Kingpin và góc Caster là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến góc đặt bánh xe ban đầu Để giảm thiểu hiện tượng xoay ngang khi phanh do lực cản không đồng đều giữa bánh trái và bánh phải, bán kính quay Scrub thường được thiết lập trong khoảng 0 ÷ 10 mm Góc Kingpin nên được tối ưu hóa ở mức thấp nhất để giảm độ lệch và mô men quay quanh trụ đứng, mặc dù thường cố gắng giữ giá trị góc Kingpin ở 10 độ Khi xác định góc Caster, cần xem xét tính ổn định trong chuyển động thẳng và lực điều khiển, với nghiên cứu trên xe đua Super GT khuyến nghị độ lệch Caster là 0 mm, góc Caster là 4 độ, và vết Caster là 20 mm.
Góc Camber ảnh hưởng đến khả năng lăn phẳng của bánh xe và tác động đến việc tiếp nhận lực thẳng đứng cũng như lực bên Để tối ưu hóa hiệu suất của lốp khi xe quay vòng, cần đảm bảo lốp luôn vuông góc với mặt đường Điều này phụ thuộc vào độ dài và vị trí của các càng liên kết, nhằm tránh góc Camber ngoài bị dương Khi cua vòng, cần ưu tiên giữ cho tâm quay của bánh xe ngoài không bị nhấc lên.
Góc Camber ban đầu thường âm từ 2 0 – 4 0 và cần thiết để có kết cấu điều chỉnh được bằng lá căn giữa rô tuyn càng trên và giá bắt moay ơ
Sự ảnh hưởng của góc Camber tới khả năng chuyển động của xe được thể hiện trên Hình 4.13
Hình 4.13: Quan hệ giữa góc camber với mô hình chuyển động của xe
Hình 4.14: Quan hệ giữa độ dài đòn ngang với góc camber trong quá trình xe chuyển động
Góc Toe là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sự quay của bánh xe dẫn hướng khi xe quay vòng Để điều chỉnh góc Toe, thiết kế cần chú ý đến khả năng điều chỉnh độ cao vị trí bắt rô tuyn và độ dài đòn kéo bên Sự tác động của đòn ngang đến thay đổi góc Toe trong quá trình xe di chuyển được thể hiện rõ qua bảng dưới đây.
Hình 4.15: Ảnh hưởng độ dài đòn ngang tới độ chụm bánh xe trong quá trình xe chuyển động 4.3.3 Tính toán thiết kế giá đỡ moay ơ và đòn ngang
Dựa trên việc xác định các góc kết cấu đáp ứng các tiêu chí cơ bản của hệ thống treo đã được phân tích, tác giả đã lựa chọn các thông số phù hợp cho xe tham khảo, như được trình bày trong bảng dưới đây.
STT Thông số kết cấu Lựa chọn Đơn vị
8 Khoảng sáng gầm xe 20 mm
9 Góc của càng chữ A 50 Độ
11 Chiều rộng cơ sở 1310 mm
• Thiết kế giá đỡ moay ơ
- Giá đỡ moay ơ được thiết kế theo xe tham khảo dựa trên các thông số đo được
Khi thiết kế giá đỡ moay ơ, cần lưu ý đến độ lệch Caster để đảm bảo độ lệch này bằng 0 Đồng thời, kích thước của giá đỡ cũng phải phù hợp với vành bánh xe nhằm tận dụng tối đa không gian lắp đặt.
Bản vẽ chi tiết trong phụ lục 1.1 là thiết kế sơ bộ, và sau khi tối ưu hóa, chúng ta sẽ có được giá đỡ moay ơ hoàn chỉnh.
Mối tương quan hình học của đòn ngang trên và dưới lắp trên giá đỡ moay ơ với khung xe của xe tham khảo được thể hiện trong Hình 4.15
Với : lt : chiều dài trung bình của đòn ngang trên ld: chiều dài trung bình của đòn ngang dưới
Chiều dài của càng chữ A phía trước bên trên (ltt) và phía sau bên trên (lts) là những thông số quan trọng Bên cạnh đó, chiều dài càng chữ A phía trước bên dưới (ldt) và phía sau bên dưới (lds) cũng không kém phần quan trọng Những thông số này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và thiết kế của sản phẩm.
Khung xe Đường tâm bánh xe Đòn ngang
Bán kính Scrub = 0 r bx lts ltt lds ldt
Hình 4.16: Mối tương quan hình học của đòn ngang với các cụm chi tiết khác
Các thông số kích thước trên hình vẽ được lựa chọn theo bảng trên, do đó dễ dàng
- Chiều dài trung bình của đòn ngang dưới ld:
1310 175 (247 128 os10).tan10 (247 128 os10 20) tan 22,62 ld= 2 − − − c − − c −
- Chiều dài trung bình của đòn ngang trên lt:
1310 175 (247 tan10 138sin10) (247 138 os10 20) os67,38 lt= 2 − − + − + c − c lt = 273 mm
- Chiều dài 2 càng chữ A trên khi chưa xét tới ảnh hưởng góc camber
301, 2( ) os25 os25 lts ltt lt mm c c
= = = - Do góc camber được lựa chọn – 4 0 nên ta có
' 138sin 4 292( ) lts ltt= =ltt − = mm
- Tương tự như trên ta tính được chiều dài càng chữ A phía dưới
128sin 4 416 128sin 4 468( ) os25 os25 ldt lds ld mm c c