Chương 1: Tổng quan về thiết kế ô tô | Tài liệu môn Công nghệ kĩ thuật Ô tô 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 c xong ọ
chương 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 hệ thống truyền l c ự .
4. Trình bày được khái quát về tính toán thiết kế hệ thống phanh.
5. Trình bày được khái quát về tính toán thiết kế hệ thống treo.
6. Trình bày được khái quát về tính toán thiết kế hệ thống lái. 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 thẩ ngày càng cao hơn
và khắt khe hơn nhằm cạnh tranh với phương thức vận chuyển bằng đường sắt và đường hàng không.
Đứng trước những yêu cầu ấp c
bách đó, đòi hỏi các k sư ô tô phải tì tòi, suy nghĩ và sáng t thi ạo để
ết kế và chế tạo ra những mẫu xe mới có các tính t tr năng vượ i ộ 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 m t ộ mẫu xe
cũ, chúng ta phải đi theo thứ tự sau đây: 1. D a
ự trên các yêu cầu sử dụng, điều kiện, ôi trường hoạt động, có tính đến khả năng công nghệ c a nhà má ủ
y và giá thành cho chi phí 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 ô hình động lực học c a t ủ ừng chi tiết và c a c ủ ả mẫu xe mới. 3. nh ch Xác đị ế độ tải tr ng tác d ọ
ụng lên ô hình động lực học.
4. Lựa chọn phương pháp tính toán độ bền từ đó định ra các thông số cơ bản. 5. Xây d ng các ch ự ỉ u qu tiêu đánh giá hiệ ả vận hành c a xe. ủ
6. Kiể tra sơ bộ các đặc tính ng độ l c ự h c
ọ của mẫu xe mới thông qua các phần mềm mô ph ng trên máy tính. ỏ 1.2.
Trình tự trong tính toán và thiết kế ô tô:
1.2.1. Những yêu cầu chung khi thiết kế ô tô:
 Xe phải mang tính hiện đại, các b ộ phận và t n
ổ g thành trên xe phải có kết cấu hiện đại,
kích thước nhỏ gọn, bố trí hợp lý phù hợp với các điều kiện đường xá và khí hậu.
 Thân xe phải đẹp, phù hợp ớ
v i yêu cầu về thẩm m công nghiệp và thẩm m của người tiêu dùng.
 Vật liệu chế tạo các chi tiết phải có độ bền cao, độ ch ng ố mòn, ch ng ố rỉ cao, nhằm nâng
cao độ tin cậy và tuổi th c ọ a xe. N ủ
ếu tăng tỉ lệ vật liệu nhẹ để giảm t ự tr ng c ọ ủa xe.
 Kết cấu và hình dạng của các chi tiết phải có tính công nghệ cao, dễ gia công, số lượng
các nguyên công trong quy trình công nghệ chế tạo càng ít càng tốt.
1.2.1.1. Những yêu c u khi thi ầ
ết kế xe ô tô con và xe chở khách. Ngoài nh ng ữ
yêu cầu chung đã nêu ở mục 1.2.1. thì i v
đố ới ô tô con và xe chở khách còn có nh ng yêu c ữ ầu riêng sau đây:
 Xe phải có đặc tính ng độ lực h c
ọ 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 ổn định và độ an toàn cao ở các loại đường.
 Xe phải có tính tiện nghi và độ êm dịu cao.
 Xe phải có tính kinh tế cao và tiêu hao ít nhiên liệu.
1.2.1.2. Những yêu c u khi thi ầ
ết kế ô tô tải: Ngoài nh ng ữ yêu cầu chung đã n êu ở mục 1.2.1. thì i v
đố ới ô tô tải còn có những yêu cầu riêng sau đây:
 Xe phải có khả năng kéo, bá tốt ở các loại đường xấu.
 Xe phải có khả năng cơ động cao.
 Xe phải có độ ổn định và độ an toàn cao.
 Xe phải có tính kinh tế cao, giảm tối đa tự tr ng c ọ
a xe và tiêu hao ít nhiên li ủ ệu.
1.2.2. Tính toán các thông s
ố cơ bản của hệ th ng l ống độ ực ô tô: 1.2.2.1. Các d ng thông s ạ : ố
Khi tính toán sức kéo của ô tô, người thiết kế cần phải phân biệt ba dạng thông s : ố
 Các thông số cho trước .  Các thông số ch n. ọ
 Các thông s tính toán. ố * Các thông s
ố cho trước :
Các thông số cho trước bao gồm:
 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 hoặc s ố lượng hành khách.
 Vận tải lớn nhất của ô tô ở s chuy ố ền cao.  Hệ s c ố ản c a m ủ ặt đường
 tương ứng với vận tốc cực đại.  Hệ s c
ố ản lớn nhất của mặt đường mà xe có thể khắc phục được ở số 1 là  . max
 Loại động cơ dùng trên ô tô (động cơ xăng hoặc động cơ diesel).
 Loại hệ thống tru ề y n lực. + Lưu ý:
Khi thiết kế ô tô vận tải thì hệ s ố cản t ng ổ c ng c ộ ủa mặt đường  cần cho lớn hơn t ộ ít
so với  khi ô tô chuyển ng độ ứng với vận t c
ố cực đại để có thêm m t
ộ phần dự trữ công suất
nhằm cho ô tô chuyển động được ổn định ở vận t c ố cực đại. Thông ng thườ ch n ọ  = 0,025 
0,035. Như vậy, khi cho hệ s ố cản
lăn f = 0,02 thì ô tô còn có thể khắc phục được độ d c ố i =
0,005  0,015 khi chuyển động ở vận t c c ố ực đại .
Đối với ô tô con, hệ số cản tổng cộng của mặt đường khi chuyển động với ậ v n tốc cực đại
chọn bằng hệ số cản lăn f, nghĩa là vận tốc cực đại chỉ đạt được khi ển chuy động trên đường bằng i = 0. * Các thông s ố ch n: ọ
 Trọng lượng bản thân của ô tô .  Hệ s c
ố ản không khí và diện tích cản chính diện c a ô tô S ho ủ ặc nhân t c ố ản không khí W = 0,625. . S
 Trọng lượng phân bố ra các cầu ô tô khi không có tả G i , G y t
và khi có đầ ải G , G . 01 02 1 2  Vận t c g ố ốc c a tr ủ c khu ụ ỷu động cơ ứng với p là p m e ax e   Hiệu su a h ất cơ khí củ ệ thống truyền lực   Các thông số ch n ọ dựa trên các u điề kiện sử d ng ụ th c
ự tế, các số liệu thí nghiệm và trên
cơ sở các ô tô mẫu sẵn có cùng loại. * Các thông s tính toán: ố
Trong tính toán sức kéo c a ô tô, khi thi ủ ết kế các thông s c ố ần xác định gồm:
Công suất của động cơ p e
 Thể tích công tác của động cơ V . c i  Tỉ s truy ố ền c a truy ủ ền l c chính ự . 0 i
 Số lượng số truyền n và tỉ ố s truyền hi của h p ộ s , ố c a ủ h p ộ phân ph i ố hoặc h p ộ s ố ph ụ i . p
1.2.2.2. Trình tự tính toán các thông s ố cơ bản.
1.2.2.2.1. Xác định tr ng toàn b ọng lượ c ộ ủa ô tô G:
* Đối với ô tô con và ô tô chở khách: G G  n  G . G 0 h h hl Ở đây: G
– trọng lượng bản thân ô tô. 0
G – trọng lượng của m t hà ộ nh khách. h
G – trọng lượng của hành lí. hl
N – số lượng hành khách kể có người lái và phụ ế xe (n u có). h
* Đối với ô tô vận tải: G G  n  G . G o c n h  h Ở đây:
G – trọng lượng bản thân ô tô. 0
G – trọng lượng của một người. n
G – trọng lượng của hàng hóa chở trên xe hh n – số c ỗ h ngồi trong buồng lái. c
1.2.2.2.2. Chọn l p cho ô tô: ố
* Đối với ô tô con:
Thông thường trọng lượng phân bố lên cầu trước và cầu sau
G (=G ), bởi vậy ta có thể ch n ọ 1 2 các l hai c ốp như nhau cho cả ầu.
* Đối với ô tô khách và ô tô tải loại 4x2:
Khi chở đầy tải theo thiết kế thì thông thường trọng lượng phân bố ra cầu trước khoảng 25  30% trọng ng lượ toàn b ộ c a ủ xe, còn phân b ố ra cầu sau khoảng  70 75% trọng ng lượ toàn b c ộ ủa xe, tức là: G  2 , 0 ( 5 G ) 3 , 0 1  G  7 , 0 ( 7 , 0 G ) 5 2 
Cần chú ý rằng, ở cầu chủ động sau thông thường có 4 bánh xe (loại ô tô 4x2). Tuy
nhiên, theo các tài liệu thí nghiệm thì trọng ng lượ tác d ng ụ lên m i ỗ l p
ố sau lớn hơn so với lốp
trước, bởi vậy ta chọn lốp sau để b trí cho l ố p ố ở cả hai cầu.
Sau khi đã chọn được lốp, chúng ta 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 GVC.MSc
giáo trình “Lý thuyết ô tô”, chương 5, tác giả . Đặng Quý, NXB Đại h c Qu ọ ốc Gia thành ph H ố ồ Chí Minh, nă 2012.
1.2.2.2.4. Xác định thể ủa động cơ: tích công tác c
Thể tích công tác của động cơ được tính theo công thức sau: 17 1 . 5 , 0 . 5 Z.pe V ma c  p p q .n e e Ở đây: p
n – số vòng quay của động cơ ứng với công suất cực đại. e p
qe – áp suất hữu ích trung bình ứng với công suất c i c ực đạ ủa động cơ; p q  4 , 0 5  6 , 0 Mpa. e Z – s kì c ố ủa độn g cơ
1.2.2.2.5. Xác định tỉ 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 h c Qu ọ ốc Gia thành ph H ố ồ Chí Minh, nă 2012.
1.2.2.2.6. Xác định tỉ 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 h c Qu ọ ốc Gia thành ph H ố ồ Chí Minh, nă 2012.
1.2.2.2.7. Xác định số lượng tỉ số truyền, tỉ số truyền ở các số của hộp số, hộp số phụ
hoặc hộp phân phối: Xin xem ở GVC.Ms
giáo trình “Lý thuyết ô tô”, chương 5, tác giả ng Quý, NXB C. Đặ
Đại học Quốc Gia thành phố Hồ Chí Minh, nă 2012.
1.2.2.2.8. Xác định tỉ số truyền của số lùi:
Xin xem ở giáo trình “Lý thuyết ô tô”, chương 5, tác giả GVC.MsC. ng Đặ Quý, NXB
Đại học Quốc Gia thành phố Hồ Chí Minh, nă 2012.
Trong giáo trình này chỉ đề cập đến tính toán thiết kế hệ thống truyền lực, hệ thống phanh,
treo và lái của ô tô. Còn phần tính toán thiết kế động cơ đã được viết ở ột giáo trình khác.
1.3. á á ề n án ế ế ệ ống ền lực:
Nhiệ vụ của hệ thống truyền lực là truyền năng lượng từ động cơ đến các bánh xe chủ
động. Trong uá trình truyền năng lượng hệ thống truyền lực phải tăng được ô en xoắn của
động cơ lên để phù hợp với các lực cản tác dụng lên ô tô thay đổi liên tục. iệu suất của hệ
thống truyền lực phải lớn.
Thứ tự tính toán thiết kế hệ thống truyền lực có thể chia ra hai bước lớn như sau:
1, Xác định tỉ số truyền chung của cả hệ thống truyền lực nhằ đả bảo các tính chất
động lực học của ô tô, đả bảo khả năng kéo và tính kinh tế của ô tô đối với điều kiện là việc đã cho.
2, Xác định kích thước của các chi tiết trong hệ thống truyền lực.
ai bước lớn trên đây được cụ thể hóa theo các bước chi tiết như sau:
+ Trên cơ sở của điều kiện k thuật và sử dụng đã cho trước, kết hợp với điều kiện chế tạo,
chúng ta chọn sơ đồ động học của cả hệ thống truyền lực, của hộp số và dự kiến luôn số cấp của hộp số.
+ Tiến hành tính toán lực kéo của ô tô, xác định tỷ số truyền chung của cả hệ thống truyền
lực khi gài các số khác nhau.
+ hân chia tỷ số truyền của hệ thống truyền lực theo từng cụ (hộp số, hộp số phụ, truyền
lực chính, truyền lực cuối cùng)
+ Xác định tỷ số truyền của hộp số ở các tay số.
+ Xác định kích thước của các chi tiết, tiến hành bố trí toàn bộ hệ thống truyền lực và kiể
tra sự liên uan là việc giữa các bộ phận và chi tiết với nhau.
1.4. á á ề n án ế ế ệ ống an :
Nhiệ vụ của hệ thống phanh là để giả tốc độ của ô tô cho đến khi dừng h n hoặc giả
đến ột tốc độ nhất định nào đó. Mặt khác nó còn dùng để giữ cho ô tô đứng yên ở các dốc. Như
vậy hệ thống phanh đả bảo 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 ô en phanh cần sinh ra ở các cơ cấu phanh đủ để dừng xe lại trong
khoảng thời gian ngắn nhất theo điều kiện bá , chúng ta sẽ tính được các lực tác dụng lên các
chi tiết của cơ cấu phanh. Từ đó chúng ta sẽ xác định được kích thước các chi tiết của cơ cấu phanh.
+ ựa trên độ lớn các lực tác dụng lên các chi tiết của các cơ cấu phanh chúng ta sẽ tính
toán thiết kế được truyền động phanh.
1.5. á á ề n án ế ế ệ ống :
Nhiệ vụ của hệ thống treo là phải thực hiện được hai yêu cầu cơ bản sau đây:
+ Đả bảo độ ê dịu tốt khi ô tô chuyển động.
+ Đả bảo yêu cầu về động lực học và an toàn chuyển động của ô tô
ệ thống treo của ô tô có ba bộ phận đả nhận các nhiệ vụ khác nhau. Đó là bộ phận dẫn
hướng, bộ phận đàn hồi và bộ phận giả chấn.
1.5.1. ộ n n ướng cơ cấ ướng):
Bộ phận dẫn hướng đả bảo động học dao động của bánh xe so với khung xe (hoặc thân xe),
đồng thời nó góp phần truyền ột số lực và ô en từ ặt đường lên khung xe.
Trên cơ sở phân tích ưu điể và nhược điể của các phương án treo bánh xe, chúng ta sẽ
chọn được ột loại bộ phận dẫn hướng phù hợp với loại xe đang thiết kế.
ựa vào chủng loại xe chúng ta tiến hành thiết kế kích thước động học của bộ phận dẫn
hướng ột cách phù hợp để hệ thống treo thực hiện tốt hai yêu cầu cơ bản đã nêu trên. 1.5.2. ộ n đ n :
Trong phần bộ phận đàn hồi chúng ta chỉ đề cập đến tính toán kiể tra nhíp đặt dọc:
+ ựa trên độ lớn và hướng của các lực tác dụng lên nhíp, chúng ta sẽ phân tích các lực tác
dụng lên nhíp tại các chốt nhíp.
+ Từ độ lớn và hướng của các lực tác dụng lên nhíp tại các chốt nhíp, chúng ta sẽ tính được
các ứng suất xuất hiện trong các lá nhíp ở các chế độ tải trọng đặc biệt.
+ ựa trên các giá trị ứng suất thực tế vừa tính được, chúng ta sẽ kiể nghiệ xe nhíp có
đủ độ bền khi là việc hay không.
1.5.3. ộ n g ả c ấn:
Trong phần bộ phận giả chấn chúng ta chỉ đề cập đến kết cấu của các loại giả chấn thủy
lực và các loại đường đặc tính của chúng.
1.6. á á ề n án ế ế ệ ống lá :
Nhiệ vụ của hệ thống lái là để thay đổi hướng chuyển động của ô tô, nó có thể giữ cho ô tô
chuyển động th ng hoặc uay vòng khi cần thiết.
+ hi tính toán kiể tra độ bền các chi tiết của hệ thống lái bắt buộc chúng ta trước hết
phải xác định lực cực đại của người lái tác dụng lên vô lăng. ì nó là cơ sở để tính toán
các ứng suất xuất hiện trong các chi tiết của hệ thống lái.
+ Nhiệ vụ uan trọng nhất khi tính toán thiết kế hệ thống 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 đả bảo cho ô tô uay vòng không bị trượt.
+ Công việc tiếp theo là chúng ta tính toán thiết kế các thông số hình học của hình thang lái.
+ Sau cùng chúng ta tính toán kiể tra hình thang lái xe nó có đáp ứng đúng điều kiện
uay vòng để xe không trượt hay không.