Chương 1 tổng quan về thiết kế ô tô – Giáo trình thiết kế ôto | Tài liệu môn Công nghệ kĩ thuật ôto Trường đại học sư phạm kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ Ô TÔ
Mục tiêu: Sau khi h
ọc xong chương trình này sinh viên có khả năng:
1. Trình bày được khái quát chung về thiết kế ô tô.
2. Nêu được các trình tự trong tính toán và thiết kế ô tô.
3.Trình bày được khái quát về tính toán thiết kế thiết kế hệ th ng ố truyền lực.
4. Trình bày được khái quát về tính toán thiết kế thiết kế hệ thống phanh.
5. Trình bày được khái quát về tính toán thiết kế thiết kế hệ thống treo.
6. Trình bày được khái quát về tính toán thiết kế thiết kế hệ thống lái. 11
1.1.KHÁI QUÁT CHUNG VỀ THIẾT KẾ Ô TÔ:
Nhu cầu vận chuyển hành khách, hàng hóa bằng đường b ộ trên thế
giới ngày càng tăng. Không những thế các yêu cầu về tính tiện nghi, an
toàn, kinh tế và thẩm mỹ ngày càng cao hơn và khắt khe hơn nhằm cạnh
tranh với các phương thức vận chuyển bằng đường sắt và đường hàng không.
Đứng trước những yêu cầu cấp bách đó, đòi hỏi các kỹ sư ô tô phải
tìm tòi, suy nghĩ và sáng tạo để thiết kế và chế tạo ra những mẫu xe mới
có các tính năng vượt trội so với các mẫu xe cũ cùng chủng loại.
Khi nghiên cứu để thiết kế, chế tạo ra các mẫu xe mới hoặc cải tạo, cải tiến một m t
ẫu xe cũ, chúng ta phải đi theo thứ ự sau đây:
1. Dựa trên các yêu cầu sử dụng, u
điề kiện môi trường hoạt n độ g, có
tính đến khả năng công nghệ của nhà máy và giá thành cho chi phí để
chế tạo, chúng ta phải phân tích ưu điểm và nhược điểm của từng
phương án kết cấu, thiết kế và chế tạo.
2. Tiến hành xây dựng mô hình ng độ
lực học của từng chi tiết và của cả mẫu xe mới.
3. Xác định chế độ tải trọng tác dụng lên mô hình động lực học.
4. Lựa chọn phương pháp tính toán
độ bền, từ đó xác định ra các thông s ố cơ bản. 5. Xây dựng các chỉ u qu tiêu đánh giá hiệ ả vận hành c a ủ xe.
6. Kiểm tra sơ bộ các đặc tính động lực học của mẫu xe mới thông
qua các phần mềm mô ph ng t ỏ rên máy tính.
1.2.TRÌNH TỰ TRONG TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ Ô TÔ:
1.2.1. Những yêu c u
ầ chung khi thiết kế ô tô:
- Xe phải mang tính hiện đại, các bộ phận và tổng thành trên xe
phải có kết cấu hiện đại, kích thước nhỏ gọn, bố trí hợp lý phù hợp với các điều ki ng xá và khí h ện đườ ậu.
- Thân xe phải đẹp, phù hợp với yêu cầu về thẩm mỹ công nghiệp
và thẩm mỹ người tiêu dùng.
- Vật liệu chế tạo các chi tiết phải có đ
ộ bền cao, độ chống mòn,
chống gỉ cao, nhằm nâng cao
độ tin cậy và tuổi thọ của xe. Nên
tăng tỷ lệ vật liệu nhẹ đê giả m tự trọng của xe. 12
- Kết cấu và hình dạng của các chi tiết phải có tính công nghệ cao,
dễ gia công, số lượng các nguyên công trong qui trình công nghệ
chế tạo càng ít càng tốt.
1.2.1.1.Những yêu cầu khi thiết kê xe ô tô con và xe ch ở khách:
Ngoài những yêu cầu chung đã nêu ở mục 1.2.1. thì đ i ố với xe ô tô
con và xe chở khách còn có những yêu cầu riêng sau đây:
- Xe phải có đặc tính động lực học cao, tức là: khả năng đạt tốc độ
cực đại, khả năng tăng tốc và khả năng leo dốc tốt nhất có thể có được. - Xe phải có độ a
ổn định và độ n toàn cao ở các loại đường.
- Xe phải có tính tiện nghi và độ êm dịu cao.
- Xe phải có tính kinh tế và tiêu hao ít nhiên liệu.
1.2.1.2.Những yêu cầu khi thiết kế ô tô tải:
Ngoài những yêu cầu chung đã nêu ở mục 1.2.1. thì đối với xe ô tô tải còn có nh ng yêu c ữ ầu riêng sau đây:
- Xe phải có khả năng kéo, bám tốt ở các loại đường xấu.
- Xe phải có khả năng cơ động cao. - Xe phải có độ a
ổn định và độ n toàn cao.
- Xe phải có tính kinh tế cao, giảm tối đa tự trọng của xe và tiêu hao ít nhiên liệu.
1.2.2. Tính toán các thông s
ố cơ bản của hệ thống động lực ô tô:
1.2.2.1. Các dạng thông số:
Khi tính toán sức kéo của ô tô, người thiết kế cần phải phân biệt 3 dạng thông số:
- Các thông số cho trước - Các thông số chọn
- Các thông số tính toán 13
 Các thông số cho trước :
- Loại ô tô: ô tô tải, ô tô chở khách, ô tô con (một cầu chủ động
hoặc nhiều cầu chủ động)
- Trọng tải hữu ích Ge hoặc số lượng hành khách.
- Vận tốc lớn nhất của ô tô vmax ở số truyền cao nhất.
- Hệ số cản của mặt đường  tương ứng với vận t c ố cực đại.
- Hệ số cản lớn nhất của mặt đường mà xe có thể khắc phục được ở số 1 là max.
- Loại động cơ dùng trên ô tô ( ộng cơ xăng hoặc động cơ diesel) đ
- Loại hệ thống truyền lực.
+ Lưu ý: khi thiết kế ô tô vận tải thì hệ số cản tổng cộng của mặt
đường  cần cho lớn hơn một ít so với  khi ô tô chuyển ng độ ứng
với vận tốc cực đại để có thêm một phần dự trữ công suất nhằm cho ô
tô chuyển động được ổn định ở vận tốc cực đại. Thông thường chọn
 = 0,025 ÷ 0,035. Như vậy, khi cho hệ số cản lăn f= 0,02 thì ô tô
còn có thể khắc phục đư ợc độ d c
ố i = 0,005 ÷ 0,015 khi chuyển động ở vận tốc c i ực đạ vmax.
Đối với ô tô con, hệ s ố cản t ng ổ c ng ộ c a
ủ mặt đường khi chuyển động với ậ
v n tốc cực đại chọn ằ b ng ệ
h số cản lăn f, nghĩa là vận tốc
cực đại chỉ đạt đượ
c khi chuyển động trên đường bằng i= 0.  Các thông số ch n: ọ
- Trọng lượng bản thân của ô tô G0
- Hệ số cản không khí Cx và diện tích cản chính diện của ô tô S
hoặc nhân tố cản không khí W=0,625 Cx S.
- Trọng lượng phân bố ra các cầu ô tô khi không có tải G01, G0 2và khi có đầy tải G1, G2.
- Vận tốc góc của trục khuỷu động cơ ứng với P emax là - Hiệu su a
ất cơ khí củ hệ thông truyền lực ηt Các thông số ch n
ọ dựa trên các điều kiện sử d ng ụ thực tế, các s ố
liệu thí nghiệm và trên cơ sở các ô tô mẫu sẵn có cùng loại. 14  Các thông s t ố ính toán: Trong tính toán s c ứ kéo c a
ủ ô tô, khi thiết kế: các thông s ố cần xác định gồm:
- Công suất thiết kế ( công su nh ất danh đị ) c ủa động cơ Ped
- Thể tích công tác của động cơ Vc
- Tỉ số truyền của truyền lực chính io
- Số lượng số truyền n và tỉ số truyền ihi của h p ộ s , ố c a ủ hộp phân
phối hoặc hộp số phụ ip.
1.2.2.2. Trình tự tính toán các thông s ố cơ bản:
1.2.2.2.1. Xác định trọng lượng toàn bộ của ô tô G:
 Đối với ô tô con và ô tô chở khách: G = Go + nh.Gh + Ghl Ở đây:
Go - Trọng lượng bản thân ô tô.
Gh - Trọng lượng của một hành khách.
Ghl - Trọng lượng của hành lý.
nh - Số lượng hành khách kể cả người lái và ph xe ụ (nếu có)
 Đối với ô tô vận tải: G=G0 + ncGn+Ghh Ở đây:
G0- Trọng lượng bản thân ô tô. Gn- Trọng lượng c a ủ một người.
Ghh- Trọng lượng của hàng hóa chở trên xe. nc- S ố chỗ ngồi trong bu ng l ồ ái.
1.2.2.2.2. Chọn l p c ố ho ô tô:  Đối với ô tô con:
Thông thường trọng lượng phân b
ố lên cầu trước và cầu sau ở xe
con ( G1 = G2 ), bởi vậy ta có thể ch n c ọ ác l ha ốp như nhau cho cả i cầu. 15
 Đối với ô tô khách và ô tô tải loại 4x2:
Khi chở đầy tải theo thiết kế thì thông ng thườ trọng ng lượ phân b ố
ra cầu trước khoảng 25 ÷ 30% trọng lượng toàn b ộ c a ủ xe, còn phân b ố
ra cầu sau khoảng 70÷75% tr ng t ọng lượ oàn b c ộ ủa xe, t c ứ là: G1= (0,25÷0,3)G G2= (0,7÷0,75)G
Cần chú ý rằng, ở xe 2 cầu thì cầu chủ động sau thông thường có
04 bánh xe ( loại ô tô 4x2). Tuy nhiên, theo các tài liệu thí nghiệm thì
thường trọng lượng tác dụng lên mỗi lốp sau lớn hơn so với lốp trước,
bởi vậy ta chọn lốp sau để bố trí cho lốp ở cả hai cầu.
Sau khi đã chọn được lốp, chúng ra sẽ tính được bán kính làm việc
trung bình rb của bánh xe.
1.2.2.2.3. Xác định công suất lớn nhất của động cơ:
Xin xem ở giáo trình “Lý thuyết ô tô”, Chương 5, tác giả :
GVC.MSc. Đặng Quý, NXB Đại học quốc gia TP. Hồ Chí Minh, năm 2012.
1.2.2.2.4. Xác định thể tích công tác của động cơ: Thể tích công tác c c
ủa động cơ đượ tính theo công thức sau: 17,5.105.z. Pemax Vc    Ở đây: .
- Số vòng quay của động cơ ứng với công suất cực đại. - Áp suất h u
ữ ích trung bình ứng với công suất cực đại của ng độ cơ. = 0,45 ÷ 0,6 MPa
z - Số kì của động cơ. 16
1.2.2.2.5. Xác định tỷ số truyền cực đại và cực tiểu của hệ thống truyền lực:
Xin xem ở giáo trình “Lý thuyết ô tô”, Chương 5, tác giả :
GVC.MSc. Đặng Quý, NXB Đại học quốc gia TP. Hồ Chí Minh, năm 2012.
1.2.2.2.6. Xác định tỷ số truyền của truyền lực chính:
Xin xem ở giáo trình “Lý thuyết ô tô”, Chương 5, tác giả :
GVC.MSc. Đặng Quý, NXB Đại học quốc gia TP. Hồ Chí Minh, năm 2012.
1.2.2.2.7. Xác định số lượng tỷ số truyền, tỷ số truyền ở các tay số, của
hộp số, h p s ộ
ố phụ hoặc h p ph ộ ân ph i ố :
Xin xem ở giáo trình “Lý thuyết ô tô”, Chương 5, tác giả :
GVC.MSc. Đặng Quý, NXB Đại học quốc gia TP. Hồ Chí Minh, năm 2012.
1.2.2.2.8. Xác định tỷ số truyền của số lùi:
Xin xem ở giáo trình “Lý thuyết ô tô”, Chương 5, tác giả :
GVC.MSc. Đặng Quý, NXB Đại học quốc gia TP. Hồ Chí Minh, năm 2012.
Trong giáo trình này chỉ đề cập đến tính toán thiết kế hệ th ng ố
truyền lực, hệ thống phanh, treo và lái của ô tô. Còn phần tính toán thiết kế n
độ g cơ đã được viết ở một giáo trình khác.
1.3. KHÁI QUÁT VỀ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG
TRUYỀN LỰC . Nhiệm vụ c a ủ hệ th ng t ố ruyền l c
ự là truyền năng lượng từ động cơ
đến các bánh xe chủ động. Trong quá trình truyền năng ng lượ ệ h thống
truyền lực phải tăng được mômen xoắn của động cơ lên để tạo ra lực kéo
lớn hơn hoặc bằng tổng các lực cản tác dụng lên ô tô thay đổi liên tục.
Hiệu suất của hệ thống truyền lực phải lớn. 17
Thứ tự tính toán thiết kế hệ th ng t ố
ruyền lực có thể chia ra hai bước lớn như sau:
1) Xác định tỷ số truyền chung của cả ệ h thống tru ề y n lực nhằm đảm bảo
các tính chất động lực học của ô tô, đảm bảo khả năng kéo và tính kinh tế
của ô tô đối với điều kiện làm việc đã cho.
2) Xác định kích thước của các chi tiết trong hệ thống truyền lực.
Hai bước lớn trên đây được cụ thể hóa theo các bước chi tiết như sau:
+ Trên cơ sở của điều kiện kỹ thuật và sử ụng đ d
ã cho trước, kết hợp với
điều kiện chế tạo, chúng ta chọn sơ đồ động ọ h c của cả ệ h thống truyền lực, c a ủ h p s ộ
ố và dự kiến luôn số cấp c a ủ h p s ộ . ố
+ Tiến hành tính toán lực kéo của ô tô, xác định tỷ s ố truyền chung của
cả hệ thống truyền lực khi gài các s khác nhau. ố
+ Phân chia tỷ số truyền c a ủ hệ th ng ố truyền lực theo t ng ừ c m ụ (h p ộ s , ố
hộp số phụ, truyền lực chính, truyền lực cuối)
+ Xác định tỉ số truyền của hộp số ở các tay s . ố
+ Xác định kích thước của các chi tiết, tiến hành bố trí toàn bộ hệ thống
truyền lực và kiểm tra sự liên quan làm việc giữa các bộ phận và chi tiết với nhau.
1.4. KHÁI QUÁT VỀ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHANH:
Nhiệm vụ của hệ thống phanh là để giảm tốc độ của ô tô cho đến khi d ng ừ
hẳn hoặc giảm đến một tốc
độ nhất định nào đó. Mặt khác nó
còn dùng để giữ cho ô tô đứng yên ở các dốc. Như vậy hệ th ng ố phanh đảm ả
b o ổn định và an toàn cho ô tô khi chuyển động và cả khi đứng yên.
Trình tự tính toán thiết kế hệ thống phanh như sau:
+ Trên cơ sở độ lớn mômen phanh cầu sinh ra ở các cơ cấu phanh đủ để
dừng xe lại trong khoảng thời gian ngắn nhất theo điều kiện bám, chúng
ta sẽ tính được các l c ự tác d ng ụ
lên các chi tiết của cơ cấu phanh. Từ đó
chúng ta sẽ xác định được kích c
thướ các chi tiết của cơ u cấ phanh hoặc tính toán ki b
ểm tra độ ền các chi tiết c a ủ hệ th ng phanh. ố 18
+ Dựa trên độ lớn các lực tác d ng ụ
lên các chi tiết của các cơ u cấ phanh
chúng ta sẽ tính toán thiết kế được truyền ng độ phanh hoặc tính toán
kiểm tra độ bền các chi tiết của nó.
1.5. KHÁI QUÁT VỀ TÍNH TOÁN THIẾT K H
Ế Ệ THỐNG TREO:
Nhiệm vụ của hệ thống treo là phải thực hiện được hai yêu cầu cơ bản sau đây:
+ Đảm bảo độ êm dịu tốt khi ô tô chuyển động.
+ Đảm bảo yêu cầu về động lực học và an toàn chuyển động của ô tô. Hệ th ng ố treo c a ủ ô tô có ba b
ộ phận đảm nhận các nhiệm v ụ khác
nhau. Đó là bộ phận dẫn hướng, bộ ận đàn hồ ph
i và bộ phận giảm chấn. 1.5.1. B ph ộ n
ậ dẫn hướng ( n
Cơ cấu hướ g):
Bộ phận dẫn hướng đảm bảo động h ng c ọc dao độ a ủ bánh xe so với
khung xe (hoặc thân xe), đồng thời nó góp phần truyền m t ộ số l c ự và mômen t m
ừ ặt đường lên khung xe.
Trên cơ sở phân tích ưu điểm và nhược điểm của các phương án
treo bánh xe, chúng ta sẽ chọn được m t
ộ loại bộ phận dẫn hướng phù hợp
với loại xe đang thiết kế. Dựa vào ch ng ủ
loại xe chúng ta tiến hành thiết kế kích thước n độ g
học của bộ phận dẫn hướng một cách phù hợp để hệ thống treo thực hiện tốt hai yêu c
ầu cơ bản đã nêu trên. 1.5.2. B ph ộ
ận đàn hồi:
Trong phần bộ phận đàn hồi chúng ta chỉ đề c n ập đế tính toán kiểm tra nhíp đặt dọc: + Dựa trên độ lớn và hướng c a ủ các lực tác d ng ụ lên nhíp, chúng ta sẽ
phân tích các lực tác d ng l ụ ên nhíp tại các ch t ố nhíp.
+ Từ độ lớn và hướng c a ủ các lực tác d n ụ g tại các ch t ố nhíp lên nhíp,
chúng ta sẽ tính được các ng ứ
suất xuất hiện trong các lá nhíp ở các chế
độ tải trọng đặc biệt. + D a
ự trên các giá trị ứng suất thực tế vừa tính được, chúng ta sẽ kiểm
nghiệm xem nhíp có đủ độ bền khi làm việc hay không.
+ Phần tính toán thiết kế
nhíp cũng được đưa vào giáo trình. 19 1.5.3. B ph ộ n ậ gi m
ả chấn: Trong phần b
ộ phận giảm chấn chúng ta chỉ đề c n ập đế kết cấu của
các loại giảm chấn thủy l c
ự và các loại đường đặc tính c a ủ chúng.
1.6. KHÁI QUÁT VỀ TÍNH TOÁN THIẾT K H
Ế Ệ THỐNG LÁI: Nhiệm v
ụ của hệ thống lái là để thay đổi hướng chuyển động của ô
tô, nó có thể giữ cho ô tô chuyển ng độ
thẳng hoặc quay vòng khi cần thiết. + Khi tính toán kiểm tra
độ bền các chi tiết của hệ th n ố g lái bắt buộc
chúng ta trước hết phải xác định lực cực đại của người lái tác dụng lên vô
lăng. Vì nó là cơ sở để tính toán các ứng suất xuất hiện trong các chi tiết của hệ thống lái. + Nhiệm vụ quan tr ng ọ
nhất khi tính toán thiết kế hệ th ng ố lái là tính
toán thiết kế hình thang lái:
 Để tính toán thiết kế hình thang lái trước hết chúng ta phải tính
toán động học của hình thang lái để đảm bảo cho ô tô quay vòng không trượt.
 Công việc tiếp theo là chúng ta tính toán thiết kế các thông s ố hình h c ọ của hình thang lái.
 Sau cùng là chúng ta tính toán kiểm tra hình thang lái xem nó có
đáp ứng đúng điều kiện quay vòng để xe không bị trượt hay không. 20