Tài liệu Nghiên cứu về khung vỏ xe ô tô

Ch¬ng 1 Tæng quan 1.1. Giíi thiÖu chung vÒ khung vá xe « t«. Khung vá chÞu t¶i dïng ®Ó ®ì vµ b¾t chÆt ®éng c¬, c¸c côm cña hÖ thèng truyÒn lùc, ®ång thêi nã lµ n¬i chÞu toµn bé t¶i träng cña xe, nh÷ng t¸c ®éng thay ®æi tõ mÆt ®êng lªn xe khi xe chuyÓn ®éng, t¸c ®éng cña lùc c¶n khÝ ®éng, lùc qu¸n tÝnh, lùc phanh vµ c¸c lùc do va ch¹m. §ång thêi, do ph¶i ®¸p øng c¸c yªu cÇu hÕt søc ®a d¹ng vÒ ®é bÒn, ®é cøng v÷ng, ®é bÒn l©u, còng nh c¸c yªu cÇu vÒ khÝ ®éng häc vµ thÈm mü vµ c«ng th¸i häc nªn trong thùc tÕ kÕt cÊu khung vá « t« rÊt ®a d¹ng. - Theo lo¹i hÖ thèng chÞu lùc trong « t« chia ra ba lo¹i chÝnh (H×nh 1.1):  Khung chÞu lùc (H×nh 1.1a) : khi vá ®Æt trªn khung qua c¸c mèi nèi ®µn håi, trêng hîp nµy khung cøng h¬n vá nhiÒu nªn chÞu ®îc t¸c ®éng cña ngo¹i lùc vµ cã thÓ bÞ biÕn d¹ng nhng kh«ng truyÒn ®Õn vá. §©y lµ lo¹i ®îc dïng phæ biÕn ë c¸c xe vËn t¶i. a. Khung chÞu lùc b. Vá chÞu lùc  Vá chÞu lùc (H×nh 1.1b): lo¹i vá nµy ®ång thêi lµ khung (kh«ng cã khung) nªn nhËn toµn bé ngo¹i lùc t¸c ®éng lªn xe. §©y lµ lo¹i ®îc dïng phæ biÕn cho c¸c xe chë kh¸ch. c. Khung vá chÞu lùc hçn hîp  Hçn hîp (H×nh 1.1c): khung nèi cøng víi vá b»ng c¸c mèi hµn hoÆc bul«ng hayC¸c ®inh t¸nkhung nªn c¶ vµ cña vá cïng H×nh 1.1: d¹ng vákhung ®iÓn h×nh « t« chÞu t¸c ®éng cña ngo¹i lùc. 4 §a phÇn hiÖn nay lµ d¹ng khung chÞu lùc, khung « t« rÊt ®a d¹ng vÒ kÕt cÊu, kiÓu d¸ng vµ môc ®Ých sö dông. Tuú theo tiªu chØ mµ khung xe ®îc ph©n thµnh nhiÒu lo¹i kh¸c nhau. - Theo kÕt cÊu cña khung chia ra:  Khung cã dÇm däc ë hai bªn (H×nh 1.2a)  Khung cã dÇm däc ë gi÷a (H×nh 1.2b)  Khung hçn hîp hay lo¹i khung h×nh ch÷ X (H×nh 1.2c) H×nh 1.2: C¸c d¹ng khung chÞu lùc trªn « t« - Theo d¹ng dÇm däc vµ sù bè trÝ dÇm däc trong mÆt ph¼ng khung chia ra:  Khung cã tiÕt diÖn h×nh vu«ng vµ dÇm däc bè trÝ song song  Khung cã tiÕt diÖn h×nh thang vµ dÇm th¼ng  Khung cã phÇn ®Çu thu hÑp Do môc ®Ých, c«ng dông kh¸c nhau, chÕ ®é khai th¸c vµ t¶i träng ®a d¹ng vµ phøc t¹p nªn c¸c yªu cÇu c¬ b¶n ®èi víi khung chÞu lùc lµ: ®é cøng v÷ng cao, ®é bÒn cao, ®é bÒn l©u cao (®é bÒn mái). MÆt kh¸c khung xe chÞu lùc ph¶i cã kÕt cÊu hîp lý, h×nh d¹ng thÝch hîp ®Ó cã thÓ bè trÝ l¾p ®Æt c¸c côm, hÖ thèng, thiÕt bÞ kh¸c trªn xe. Khung « t« lµ mét bé phËn rÊt quan träng cña « t« do ®ã khi thiÕt kÕ nã ph¶i tho¶ m·n c¸c yªu cÇu: 5 TiÕt diÖn ngang cña dÇm däc ph¶i chän theo c¸c phÐp tÝnh uèn vµ xo¾n khung. M«men thay ®æi theo suèt chiÒu dµi cña dÇm tõ gi¸ trÞ kh«ng ®Õn gi¸ trÞ cùc ®¹i nªn ®Ó tiÕt kiÖm nguyªn vËt liÖu vµ ®¶m b¶o ®é cøng cña dÇm ®Òu nhau, dÇm däc ®îc chÕ t¹o víi tiÕt diÖn thay ®æi. §Ó tho¶ m·n yªu cÇu nµy dÇm däc ®îc chÕ t¹o theo ph¬ng ph¸p dËp. §Ó h¹ thÊp träng t©m « t« vµ chiÒu cao sµn xe c¸c dÇm däc trong « t« du lÞch trªn cÇu tríc vµ cÇu sau thêng ®îc uèn cong, nh vËy phÇn gi÷a cña khung sÏ n»m thÊp h¬n. Khung ph¶i ®¶m b¶o ®ñ cøng ®Ó c¸c côm g¾n trªn khung hoÆc hoµn toµn cè ®Þnh hoÆc chØ thay ®æi vÞ trÝ rÊt Ýt. DÇm ngang ph¶i ®¶m b¶o gi÷ kh«ng cho dÇm däc dÞch chuyÓn däc khi « t« gÆp chíng ng¹i vËt va ®Ëp vµo ®Çu tríc cña dÇm däc. 1.2. §Æc ®iÓm kÕt cÊu khung xe « t« qu©n sù. Khung « t« thêng cã kÕt cÊu lµ c¸c dÇm däc vµ dÇm ngang liªn kÕt cøng víi nhau. C¸c dÇm nµy thêng chÕ t¹o b»ng c¸c vËt liÖu cã tÝnh chÊt ®µn håi cao nh: thÐp Ýt c¸cbon, thÐp hîp kim.…C¸c dÇm däc vµ dÇm ngang cã tiÕt diÖn kh¸c nhau tuú theo kÕt cÊu vµ t¶i träng t¸c dông lªn khung. C¸c dÇm ngang liªn kÕt víi dÇm ngang nhê ®inh t¸n, hµn, chóng ®îc t¨ng cøng nhê c¸c tÊm t¸p. Trªn dÇm däc cã nhiÒu vÞ trÝ ®îc khoan lç ®Ó tr¸nh c¸c vÕt nøt g©y ph¸ huû do mái. DÇm däc cã tiÕt diÖn hë (ch÷ U) ®îc dïng phæ biÕn h¬n dÇm däc cã tiÕt diÖn kÝn (h×nh hép), tiÕt diÖn kÝn thêng ®îc dïng trªn c¸c xe t¶i trªn 25 tÊn. C¸c dÇm ngang lµm nhiÖm vô t¨ng cøng cho dÇm däc t¹i c¸c vÞ trÝ chÞu lùc, ®ång thêi nã ®îc sö dông ®Ó ®ì c¸c côm ®éng c¬, ly hîp, hép sè …nªn nã thêng lµm theo d¹ng thÝch hîp ®Ó thuËn lîi cho viÖc bè trÝ vµ l¾p ®Æt c¸c côm ®ã. C¸c dÇm ngang thêng ®îc cÊu thµnh tõ c¸c dÇm cã tiÕt diÖn d¹ng ch÷ K vµ ch÷ X ®¶m b¶o ®é cøng v÷ng khung lín nhÊt theo chiÒu däc vµ ®êng chÐo. DÇm ngang ®îc g¾n ë ®¸y dÇm däc hoÆc ë thµnh cña dÇm däc, hoÆc mét ®Çu g¾n vµo ®¸y dÇm däc mét ®Çu vµo thµnh dÇm däc. DÇm ngang g¾n vµo 6 dÇm däc b»ng ®inh t¸n vµ tÊm phô nghiªng hoÆc chØ b»ng ®inh t¸n vµ ®«i khi b»ng c¸c mèi hµn. Theo yªu cÇu chèng xo¾n cña khung mµ khung cã c¸c ®Æc ®iÓm kÕt cÊu kh¸c nhau. Khung xe « t« du lÞch cã vá kÝn cÇn ph¶i cã ®é cøng theo gãc cao ®Ó gi÷ vá vµ c¸c côm kh¸c g¾n trªn khung khái chÞu c¸c biÕn d¹ng lín qu¸ khi vá cÇu vµ dÇm cÇu « t« bÞ nghiªng. C¸c biÕn d¹ng cña vá lµm vá dÞch chuyÓn c¸c phÇn riªng, nªn cöa ra vµo bÞ kªu vµ bÞ kÑt. §èi víi c¸c « t« vËn t¶i ngêi ta chØ lµm khung xe cã ®é cøng trung b×nh. Khung xe cã ®é cøng kh«ng cao l¾m ®Ó khi vá cÇu vµ dÇm cÇu bÞ nghiªng ®èi víi khung th× b¸nh xe vÉn cßn tiÕp xóc ®îc víi ®êng. §Ó gi÷ cho buång l¸i vµ c¸c côm kh¸c khái biÕn d¹ng khi khung xe bÞ nghiªng, ngêi ta ®Æt buång l¸i vµ c¸c côm kh¸c trªn ®Öm ®µn håi. H×nh 1.3: Khung xe chØ huy CH-551 Lo¹i khung cã dÇm däc ë gi÷a cã ®é cøng gãc lín nhÊt. Nhng khung xe cã ®é cøng gãc lín qu¸ còng lµm ¶nh hëng ®Õn sù tiÕp xóc cña b¸nh xe víi ®êng. §Ó kh¾c phôc nhîc ®iÓm nµy ngêi ta lµm hÖ thèng treo ®éc lËp cho tÊt c¶ cac b¸nh xe. Trong kÕt cÊu mét sè « t« riªng ngêi ta lµm c¸c hÖ thèng treo cã tÝnh chÊt th¨ng b»ng ®Ó gi÷ khung xe Ýt bÞ nghiªng khi « t« chuyÓn ®éng trªn ®êng nhiÒu æ gµ. 7 Khung xe « t« lo¹i hçn hîp cã ®é cøng cao nªn ngêi ta thêng dïng cho « t« du lÞch nhiÒu chç ngåi. KÝch thíc khung « t« ®îc x¸c ®Þnh bëi kÝch thíc cña « t«. Muèn t¨ng ®é cøng cña khung xe cã dÇm däc khi ®é dµi ®· x¸c ®Þnh cÇn lµm chiÒu réng cña khung xe lín lªn nhng kÝch thíc chiÒu réng cña « t« bÞ h¹n chÕ bëi bè trÝ chung cña « t«. Bè trÝ ®é cao cña dÇm däc (tÝnh tõ mÆt ®Êt lªn) phô thuéc chñ yÕu bëi kÝch thíc lèp, bëi kÕt cÊu cña dÇm cÇu sau, bëi ®é vâng ®éng cña hÖ tèng treo cã kÓ c¶ sù ph©n bè cña c¸c vó cao su. §Ó h¹ thÊp sµn xe dÇm däc cã thÓ uèn trong mÆt ph¼ng däc. CÇn nhí r»ng uèn khung trong mÆt ph¼ng ngang vµ däc lµm t¨ng m« men uèn phô vµ dÔ sinh ra h háng ë chç uèn nªn ®é bÒn trong khung xe kÐm ®i. VËt liÖu lµm khung ph¶i ®¶m b¶o c¸c yªu cÇu: Giíi h¹n ch¶y dÎo cao, Ýt nh¹y c¶m víi hiÖn tîng tËp trung øng suÊt, cã thÓ sö dông ®Ó gia c«ng b»ng c¸c ph¬ng ph¸p dËp nguéi, hµn. Do vËy khi chÕ t¹o khung xe thêng sö dông thÐp hîp kim cã hµm lîng cacbon thÊp vµ trung b×nh. Khung xe du lÞch ®îc chÕ t¹o b»ng thÐp kÕt cÊu 20T dÇy 3,0-4,0 mm. Khung xe t¶i sö dông thÐp 25T, 30T, cã chiÒu dµy 5,0-9,0mm tuú theo träng t¶i xe. 1.3. T¶i träng t¸c dông lªn khung xe « t«. Khung xe « t« lµ tæng thµnh cã kiÓu d¸ng, kÕt cÊu vµ t¶i träng t¸c dông rÊt ®a d¹ng vµ phøc t¹p. Tuú theo quan ®iÓm ph©n lo¹i t¶i träng t¸c dông mµ ngêi ta ph©n ra: t¶i träng tÜnh, t¶i träng ®éng; t¶i träng g©y ån rung, t¶i träng g©y mái… T¶i träng t¸c dông lªn khung xe « t« thêng chia ra hai lo¹i sau: T¶i träng tÜnh (do tù träng cña khung xe, träng lîng cña c¸c côm hÖ thèng l¾p ®Æt lªn nã vµ ph¶n lùc tÜnh tõ mÆt ®êng…) T¶i träng ®éng (chñ yÕu lµ t¶i träng th¼ng ®øng khi xe chuyÓn ®éng qua æ gµ vµ t¶i träng n»m ngang khi xe t¨ng tèc, khi phanh, khi quay vßng). 8 C¸c t¶i träng nµy g©y ra trong kÕt cÊu khung vá xe c¸c øng suÊt thay ®æi theo thêi gian lµm chóng xuÊt hiÖn nh÷ng h háng nh: khung vá bÞ g·y, vì, nøt… §Æc ®iÓm cña « t« lµ lµm viÖc ë tèc ®é cao víi c¸c chÕ ®é t¶i träng kh¸c nhau. øng suÊt sinh ra trong khung còng nh trong c¸c chi tiÕt cña « t« phô thuéc bëi chÕ ®é t¶i träng t¸c dông lªn chóng trong ®iÒu kiÖn sö dông. Trong khi sö dông, c¸c chi tiÕt cña « t« sÏ chÞu t¶i träng ®éng. T¶i träng ®éng cã thÓ gÊp nhiÒu lÇn t¶i träng tÜnh. §Ó ®¶m b¶o cho khung xe vµ c¸c chi tiÕt cña « t« lµm viÖc ®îc an toµn, ngoµi t¶i träng tÜnh cÇn ph¶i x¸c ®Þnh t¶i träng ®éng t¸c dông lªn khung xe vµ c¸c chi tiÕt khi « t« ®ang ë tr¹ng th¸i lµm viÖc. Th«ng qua sù tæng hîp gi÷a t¶i träng tÜnh, hÖ sè an toµn, thèng kª x¸c suÊt t¶i träng ®éng, chóng ta cã mét chÕ ®é t¶i träng dïng trong tÝnh to¸n thiÕt kÕ. X¸c ®Þnh chÝnh x¸c trÞ sè t¶i träng ®éng t¸c dông lªn khung xe lµ mét vÊn ®Ò rÊt phøc t¹p, v× t¶i träng ®éng cã thÓ sinh ra trong nh÷ng ®iÒu kiÖn lµm viÖc kh¸c nhau. HÖ sè t¶i träng ®éng thêng ®îc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc kinh nghiÖm nhËn ®îc tõ hµng lo¹t c¸c thÝ nghiÖm. Th«ng thêng t¶i träng ®éng ®îc ®Æc trng b»ng hÖ sè t¶i träng ®éng. HÖ sè nµy b»ng tØ sè cña trÞ sè t¶i träng ®éng trªn t¶i träng tÜnh. Kd = T¶i träng ®éng (1.1) T¶i träng tÜnh T¶i träng ®éng t¸c ®éng lªn khung vµ c¸c côm chi tiÕt kh«ng ®îc treo phô thuéc chñ yÕu bëi sù t¸c ®éng gi÷a b¸nh xe vµ mÆt ®êng. HÖ sè t¶i träng ®éng trong trêng hîp nµy b»ng tû sè gi÷a lùc ®éng vµ lùc tÜnh t¸c dông th¼ng gãc lªn b¸nh xe. Khi ®¸nh gi¸ ®é cøng vµ ®é bÒn cña khung vá xe phô thuéc vµo gi¸ trÞ vµ chiÒu t¸c dông cña c¸c ph¶n lùc th¼ng ®øng tõ mÆt ®êng, cã hai chÕ ®é t¶i träng tÝnh to¸n lµ chÕ ®é tÝnh uèn tÜnh vµ chÕ ®é tÝnh xo¾n tÜnh. - T¶i träng khi tÝnh theo uèn : 1 a P1tr  P1 ph  mtr g 2 2 L (1.2) 9 1 a P2 tr  P2 ph  mtr g 1 2 L (1.3) Trong ®ã: Pi- Khèi lîng phÇn ®îc treo ph©n bè lªn cÇu i, N mtr- Khèi lîng phÇn ®îc treo cña xe, N g - Gia tèc träng trêng, m/s2 ai- Kho¶ng c¸ch tõ träng t©m phÇn ®îc treo cña xe ®Õn cÇu i, mm L- ChiÒu dµi c¬ së xe, mm T¶i träng khi tÝnh theo xo¾n (xÐt trêng hîp xe cã t¶i träng ph©n lªn cÇu tríc nhá h¬n cÇu sau): 1 a M  mtr 2 b1 2 L (1.4) Trong ®ã: bi- VÕt b¸nh xe cÇu i, mm M- M« men xo¾n, Nmm Khi mét bªn b¸nh xe t¸ch khái nÒn ®êng th× m« men xo¾n lín nhÊt x¸c ®Þnh theo c«ng thøc: 1 a '2 M '  mg b1 2 L (1.5) Trong ®ã: M'- M« men xo¾n khung lín nhÊt, Nmm a’'i- Kho¶ng c¸ch tõ träng t©m xe ®Õn cÇu i, mm m- Khèi lîng toµn bé cña xe, N Ngêi ta quan s¸t thÊy øng suÊt thay ®æi theo thêi gian nµy cã trÞ sè nhá h¬n rÊt nhiÒu giíi h¹n bÒn thËm chÝ cßn nhá h¬n giíi h¹n ®µn håi cña vËt liÖu. Tuy nhiªn tÝch lòy dÇn sù ph¸ háng trong b¶n th©n vËt liÖu díi t¸c ®éng cña øng suÊt thay ®æi theo thêi gian, øng suÊt nµy lµm xuÊt hiÖn c¸c vÕt nøt mái, sau ®ã vÕt nøt Êy ph¸t triÓn vµ dÉn tíi ph¶ huû cña vËt liÖu. Sù ph¸ hñy Êy ®îc 10 gäi lµ sù ph¸ huû v× mái. C¸c chi tiÕt cña khung còng bÞ t¸c ®éng cña øng suÊt thay ®æi theo thêi gian. Do ®ã néi dung nghiªn cøu c¬ së tÝnh bÒn mái cña khung xe lµ mét bµi to¸n míi. §Ó cã thÓ tÝnh to¸n ®é bÒn mái cña khung xe ta ph¶i x©y dùng m« h×nh tÝnh to¸n ®ñ hîp lý vµ cã kh¶ n¨ng ¸p dông c¸c c«ng cô hiÖn cã ®Ó ®¸nh gi¸ ®é bÒn mái. 1.4. TÇm quan träng khi nghiªn cøu ®é bÒn mái. HiÖn tîng ph¸ huû cña chi tiÕt m¸y vµ cÊu kiÖn do øng suÊt thay ®æi theo thêi gian g©y ra ®· ®îc ph¸t hiÖn c¸ch ®©y h¬n 100 n¨m. Ngêi ta quan s¸t thÊy r»ng øng suÊt thay ®æi theo thêi gian nµy cã trÞ sè nhá h¬n rÊt nhiÒu giíi h¹n ®µn håi cña vËt liÖu lµm ra chi tiÕt m¸y vµ cÊu kiÖn. V× thÕ tÝnh to¸n thiÕt kÕt chi tiÕt m¸y theo øng suÊt cho phÐp tá ra cha ®ñ ®é tin cËy. Tõ ®ã xuÊt hiÖn mét lÜnh vùc míi trong nghiªn cøu vµ thiÕt kÕ chi tiÕt m¸y lµ Lý thuyÕt mái. Trªn « t« khi thiÕt kÕ mÆc dï chi tiÕt cã kÕt cÊu ®ñ bÒn nhng ngêi ta vÉn thÊy xuÊt hiÖn c¸c vÕt nøt ®Æc biÖt lµ khung vá « t«, tõ ®ã g©y ph¸ huû. V× vËy khi nghiªn cøu ®é bÒn nãi chung vµ ®é bÒn mái nãi riªng lµ mét néi dung rÊt phøc t¹p. Nã cã ý nghÜa hÕt søc quan träng ®Ó ®¸nh gi¸ ®é bÒn cña chi tiÕt, ®ång thêi dù b¸o h háng cã thÓ xÈy ra. Khung vá xe lµ cÊu tróc lín vµ phøc t¹p, lµ hÖ siªu tÜnh bËc cao nªn viÖc nghiªn cøu nã thËt kh«ng ®¬n gi¶n. HiÖn nay cã rÊt nhiÒu phÇn mÒm cã thÓ dïng ®Ó x©y dùng m« h×nh khung vá xe, phôc vô cho c¸c bµi to¸n liªn quan ®Õn ®¸nh gi¸ chÊt lîng khung vá xe nh: Solidwords, Inventor,…. Bªn c¹nh c¸c phÇn mÒm x©y dùng m« h×nh tÝnh cã c¸c phÇn mÒm dïng ®Ó ®¸nh gi¸ ®é bÒn mái kÕt cÊu nãi chung vµ khung vá xe nãi riªng nh: Ansys, Sap2000, Mechanical Destop,….Víi nhiÒu c«ng cô trî gióp b»ng m¸y tÝnh nh vËy bµi to¸n ®¸nh gi¸ chÊt lîng khung xe sÏ cã nhiÒu thuËn lîi h¬n. 11