Tài liệu kỹ thuật Xây dựng một số phần mềm chuyên dụng sử dụng trong thiết kế tính toán ô tô

Bộ Khoa học và Công nghệ Ch−ơng trình KC.05 - Dự án KC.05.DA.13 Trung tâm Phát triển Công nghệ Ô tô =====o0o===== Tài liệu kỹ thuật Xây dựng một số phần mềm chuyên dụng sử dụng trong thiết kế tính toán ô tô Ch−ơng I : Tính toán động lực học ô tô Ch−ơng II : Tính toán hệ thống phanh Ch−ơng III : Tính toán hệ thống treo Ch−ơng IV : Tính toán hệ thống lái Ch−ơng V : Tính toán hệ thống ly hợp Ch−ơng VI : Tính toán khung ô tô 6091-7 07/9/2006 Hà Nội – 2004 - 3 - Lời nói đầu Ngành ôtô máy kéo đã ra đời từ lâu và hiện đang giữ một vị trí quan trọng trong nền kinh tế quốc dân. Tr−ớc đây, ở Việt Nam, ngành ôtô máy kéo chủ yếu mang tính chất sử dụng và sửa chữa. Trong thập kỷ cuối của thế kỷ XX, hơn 10 liên doanh hoạt động lắp ráp ôtô tại Việt Nam đã đ−ợc thành lập và vấn đề tăng tỷ lệ nội địa hoá trong sản xuất là mục tiêu quan trọng của ngành ôtô Việt Nam trong giai đoạn tới. Để nhanh chóng đạt đ−ợc điều này, một mặt chúng ta cần xây dựng những ch−ơng trình tính toán thiết kế của riêng mình, mặt khác phải nghiên cứu sâu hơn để hiểu rõ các quá trình xảy ra bên trong các hệ thống cũng nh− để can thiệp sâu hơn vào các quá trình đó nhằm thu đ−ợc những kết quả tối −u. Bên cạnh việc thiết kế, cải tiến, chúng ta đang nhập về sử dụng khá nhiều xe của n−ớc ngoài. Vấn đề quan trọng ở đây là phải đánh giá đ−ợc tính năng hoạt động của các hệ thống để kiểm định chất l−ợng các loại xe này. Ngoài việc sử dụng các phép đo bằng thực nghiệm nh− hiện có, xu h−ớng tính toán và mô phỏng trên máy tính đem lại kết quả nhanh chóng và khá chính xác. Hiện nay công việc thiết kế và kiểm nghiệm các hệ thống trên ôtô đang rất đ−ợc các nhà khoa học và các nhà chế tạo quan tâm. Trong công tác kiểm định ngoài việc đo trên các băng thử tại các trạm đăng kiểm, ngày nay xu thế còn có thể đánh giá bằng các số liệu tính toán. Tr−ớc kia, các quá trình tính toán kiểm nghiệm và thiết kế còn hạn chế vì các công thức cồng kềnh, phức tạp và thời gian tính toán dài. Ngày nay các công việc tính toán đã đ−ợc sự trợ giúp của máy tính đã phát triển hơn rất nhiều, giải quyết đ−ợc vấn đề thời gian và sức lao động. Trên ôtô hiện đại có rất nhiều hệ thống, mỗi hệ thống lại có kết cấu rất đa dạng và phức tạp nên việc tính toán cũng gặp nhiều khó khăn. Từ tr−ớc đến nay ch−a có một ch−ơng trình tính toán tổng quát nào để ứng dụng cho những ng−ời sử dụng một cách nhanh chóng và có hệ thống mà lại đảm bảo tính hiệu quả, nghĩa là rút ngắn đ−ợc thời gian và khối l−ợng tính toán. Chúng tôi đã tiến hành hệ thống hoá kết cấu các hệ thống hiện đang sử dụng rộng rãi trên ôtô cùng với phần tính toán thiết kế, cải tiến và kiểm nghiệm của chúng. Ch−ơng trình tổng hợp các công thức tính toán hiện đ−ợc sử dụng lâu nay, hệ thống hoá và xây dựng phần tính toán có giao diện bằng tiếng Việt dễ đọc, dễ hiểu để có thể sử dụng một cách dễ dàng và tiện lợi. Ch−ơng trình của chúng tôi cũng xây dựng với h−ớng mở, nghĩa là tuy ch−a tính - 4 - toán triệt để một số cụm phức tạp, một số kết cấu mới, nh−ng chúng ta có thể dễ dàng và nhanh chóng mở rộng để kết nối với ch−ơng trình cho hoàn thiện hơn. Ch−ơng trình đã tổng hợp và xây dựng các phần ch−ơng trình tính toán thiết kế, kiểm nghiệm một số hệ thống trên ôtô có giao diện bằng tiếng Việt ứng dụng trên nền phần mềm Matlab: - Xây dựng thuật toán và ch−ơng trình tính toán động lực học ôtô. - Xây dựng thuật toán và ch−ơng trình tính toán hệ thống phanh (phanh dầu, dẫn động cơ khí, cơ khí có trợ lực loại chân không kết hợp thuỷ lực). - Xây dựng thuật toán và ch−ơng trình tính toán hệ thống treo (treo phụ thuộc với bộ phận đàn hồi loại nhíp và giảm chấn thuỷ lực). - Xây dựng thuật toán và ch−ơng trình tính toán hệ thống lái (cơ cấu lái loại trục vít - êcu bi, dẫn động lái cơ khí có trợ lực). - Xây dựng thuật toán và ch−ơng trình tính toán hệ thống ly hợp (cơ cấu ly hợp loại ma sát khô 1 đĩa, 2 đĩa, dẫn động cơ khí có trợ lực). - Xây dựng thuật toán và ch−ơng trình tính toán khung ôtô. Các phần mềm xây dựng đ−ợc đã đ−ợc công bố trên một số hội nghị chuyên ngành và đ−ợc ứng dụng trong quá trình đào tạo các công nghệ mới cho các kỹ s− và kỹ thuật viên tại Công ty ôtô Sài Gòn (7/2004). Những phần mềm chuyên dụng có thể dùng làm cơ sở để tính toán thiết kế và nghiên cứu sâu những quá trình phức tạp của các hệ thống trên ôtô, cũng nh− làm tài liệu cho các cán bộ chuyên ngành. Những nội dung cần tiếp tục là mở rộng hoàn thiện các quá trình thiết kế các cụm, hệ thống phức tạp hơn, tiến hành thử nghiệm và chế tạo các cụm trên ôtô cũng nh− thử nghiệm tổng thể ôtô để hiệu chỉnh cho hoàn thiện hơn.- Hội nghị KH quốc tế về Công nghệ ôtô cho Việt Nam (ICAT' 2002) tháng 10/2002. Trung tâm phát triển Công nghệ Ô tô Dự án KC.05.DA.13 - 5 - Mục lục Trang Lời nói đầu ......................................................................................................................3 Mục lục ............................................................................................................................5 Ch−ơng I. Tính toán động lực học ôtô ............................................................9 I. Đặt vấn đề.....................................................................................................................9 1.1. Tổng quát ..................................................................................................................9 1.2. Nhiệm vụ ..................................................................................................................9 II. Các b−ớc tính toán ..................................................................................................9 2.1. Xây dựng đ−ờng đặc tính tốc độ ngoài của động cơ ................................................9 2.2. Xây dựng các chỉ tiêu động lực học của ôtô...........................................................10 2.2.1. Xác định chỉ tiêu về công suất ........................................................................10 2.2.2. Xác định về chỉ tiêu lực kéo ............................................................................11 2.2.3. Xác định chỉ tiêu về nhân tố động lực học ......................................................11 2.2.4. Xác định khả năng tăng tốc cuả ôtô ................................................................11 III. Sơ đồ thuật toán ...................................................................................................13 IV. Xây dựng ch−ơng trình có giao diện tiếng Việt.......................................16 V. Kết luận .....................................................................................................................21 Ch−ơng II. Tính toán hệ thống phanh .............................................................22 I. Đặt vấn đề...................................................................................................................22 1.1. Tổng quát ................................................................................................................22 1.2. Phân loại hệ thống phanh........................................................................................22 1.3. Nhiệm vụ ................................................................................................................25 II. Các b−ớc tính toán ................................................................................................26 2.1. Bài toán thiết kế ......................................................................................................26 2.1.1. Tính mô men phanh cần thiết sinh ra ở các cơ cấu phanh...............................26 2.1.2. Tính toán cơ cấu phanh ...................................................................................27 2.1.3. Tính toán dẫn động phanh...............................................................................29 2.1.4. Tính bền...........................................................................................................31 2.2. Bài toán kiểm nghiệm.............................................................................................32 2.2.1. Tính lực tác dụng lên cơ cấu phanh.................................................................32 2.2.2. Tính mô men phanh tác dụng lên các cơ cấu phanh .......................................34 2.2.3. Tính lực phanh tổng cộng tác dụng lên các cơ cấu phanh...............................35 - 6 - 2.2.4. Kiểm tra các điều kiện làm việc của hệ thống ................................................35 2.2.5. Tính bền một số chi tiết quan trọng của hệ thống...........................................36 2.2.6. Kiểm tra các chỉ tiêu đánh giá hiệu quả phanh ...............................................37 III. Sơ đồ thuật toán ...................................................................................................39 3.1. Sơ đồ thuật toán tính toán thiết kế hệ thống phanh.................................................39 3.2. Sơ đồ thuật toán tính toán kiểm nghiệm hệ thống phanh .......................................43 IV. Xây dựng ch−ơng trình có giao diện tiếng Việt.......................................47 V. Kết luận .....................................................................................................................59 Ch−ơng III. Tính toán hệ thống treo ..............................................................60 I. Đặt vấn đề...................................................................................................................60 1.1. Tổng quát ................................................................................................................60 1.2. Phân loại hệ thống treo ...........................................................................................60 1.3. Nhiệm vụ ................................................................................................................62 II. Các b−ớc tính toán ................................................................................................63 2.1. Bài toán thiết kế ......................................................................................................63 2.1.1. Tính các thông số dao động của bánh xe ........................................................63 2.1.2. Tính toán bộ phận đàn hồi...............................................................................65 2.1.3. Tính toán bộ phận giảm chấn ..........................................................................69 2.2. Bài toán kiểm nghiệm.............................................................................................72 2.2.1. Tính chính xác độ cứng và độ võng của khối nhíp..........................................72 2.2.2. Tính bền nhíp .................................................................................................73 2.2.3. Kiểm tra lại độ êm dịu của hệ thống treo........................................................73 2.2.4. Tính bền và tính nhiệt giảm chấn ...................................................................73 III. Sơ đồ thuật toán ...................................................................................................74 3.1. Sơ đồ thuật toán tính toán thiết kế bộ phận đàn hồi hệ thống treo .........................74 3.2. Sơ đồ thuật toán tính toán kiểm nghiệm bộ phận đàn hồi hệ thống treo ................77 3.3. Sơ đồ thuật toán tính toán kiểm nghiệm bộ phận giảm chấn hệ thống treo............80 IV. Xây dựng ch−ơng trình có giao diện tiếng Việt.......................................82 V. Kết luận .....................................................................................................................94 Ch−ơng IV. Tính toán hệ thống lái ..................................................................95 I. Đặt vấn đề...................................................................................................................95 1.1. Tổng quát ................................................................................................................95 1.2. Phân loại hệ thống lái .............................................................................................95 1.3. Nhiệm vụ ................................................................................................................97 - 7 - II. Các b−ớc tính toán ................................................................................................98 2.1. Bài toán thiết kế ......................................................................................................98 2.1.1. Tính toán động học dẫn động lái ....................................................................98 2.1.2. Xác định mômen cản quay vòng.....................................................................99 2.1.3. Chọn tỉ số truyền ............................................................................................99 2.1.4. Tính toán cơ cấu lái ......................................................................................100 2.1.5. Tính toán dẫn động lái ..................................................................................102 2.2. Bài toán kiểm nghiệm...........................................................................................104 2.2.1. Kiểm tra động học dẫn động lái ...................................................................104 2.2.2. Xác định mômen cản quay vòng...................................................................104 2.2.3. Tính toán tỉ số truyền ...................................................................................104 2.2.4. Tính bền các chi tiết trong hệ thống..............................................................105 III. Sơ đồ thuật toán.................................................................................................108 3.1. Sơ đồ thuật toán tính toán thiết kế hệ thống lái ....................................................108 3.2. Sơ đồ thuật toán tính toán kiểm nghiệm hệ thống lái ...........................................112 IV. Xây dựng ch−ơng trình có giao diện tiếng Việt.....................................116 V. Kết luận ...................................................................................................................127 Ch−ơng V. Tính toán hệ thống ly hợp ..........................................................128 I. Đặt vấn đề.................................................................................................................128 1.1. Tổng quát ..............................................................................................................128 1.2. Phân loại hệ thống ly hợp .....................................................................................128 1.3. Nhiệm vụ ..............................................................................................................131 II. Các b−ớc tính toán ..............................................................................................132 2.1. Bài toán thiết kế ....................................................................................................132 2.1.1. Xác định mômen ma sát của ly hợp ..............................................................132 2.1.2. Xác định kích th−ớc cơ bản của ly hợp .........................................................132 2.1.3. Tính công tr−ợt và công tr−ợt riêng...............................................................133 2.1.4. Tính toán hệ thống dẫn động ly hợp .............................................................134 2.1.5. Tính bền một số chi tiết điển hình.................................................................135 2.2. Bài toán kiểm nghiệm...........................................................................................139 2.2.1. Xác định lực ép lên đĩa ma sát ......................................................................139 2.2.2. Xác định mômen ma sát của ly hợp ..............................................................140 2.2.3. Xác định hệ số dự trữ của ly hợp...................................................................140 2.2.4. Kiểm tra công tr−ợt và kiểm tra công tr−ợt riêng..........................................140 - 8 - 2.2.5. Kiểm tra hành trình bàn đạp và lực bàn đạp..................................................140 2.2.6. Tính bền một số chi tiết của hệ thống ...........................................................141 III. Sơ đồ thuật toán .................................................................................................142 3.1. Sơ đồ thuật toán tính toán thiết kế ly hợp .............................................................142 3.2. Sơ đồ thuật toán tính toán kiểm nghiệm ly hợp ....................................................145 IV. Xây dựng ch−ơng trình có giao diện tiếng Việt.....................................148 V. Kết luận ...................................................................................................................158 Ch−ơng VI. Tính toán khung ôtô .....................................................................159 I. Đặt vấn đề.................................................................................................................159 1.1. Tổng quát ..............................................................................................................159 1.2. Mục đích ...............................................................................................................159 1.3. Giả thiết tính toán .................................................................................................159 II. Các b−ớc tính toán ..............................................................................................160 2.1. Xác định các tải trọng đặt lên khung....................................................................160 2.2. Tính các phản lực tại vị trí lắp đặt hệ thống treo ..................................................160 2.3. Vẽ biểu đồ nội lực tác dụng lên khung, xác định vị trí nguy hiểm chịu lực tổng hợp lớn ..................................................161 2.4. Kiểm tra bền uốn khung tại tiết diện nguy hiểm ..................................................161 2.5. Kiểm tra bền xoắn khung .....................................................................................162 III. Sơ đồ thuật toán .................................................................................................164 IV. Xây dựng ch−ơng trình có giao diện tiếng Việt.....................................166 V. Kết luận ...................................................................................................................170 Kết luận ......................................................................................................................171 Tài liệu tham khảo ................................................................................................172 - 9 - Ch−ơng I. Tính toán động lực học ôtô I. Đặt vấn đề 1.1. Tổng quát Động cơ đ−ợc coi là nguồn động lực chính để xe có thể chuyển động trên đ−ờng. Bởi vậy để có thể khảo sát một chiếc ôtô nào, nhiệm vụ đầu tiên là phải khảo sát khả năng động lực học của chiếc xe đó. Một chiếc ôtô có tải trọng xác định, để có thể chạy ổn định trên một loại đ−ờng xá nhất định thì tr−ớc hết phải có đủ công suất và mômen kéo do động cơ phát ra. Ngoài ra, việc đánh giá khả năng động lực khác của ôtô nh− thời gian, quãng đ−ờng tăng tốc, v.v... là một trong những công việc hết sức cần thiết. Quá trình tính toán động lực học ôtô là một công tác đầu tiên để đánh giá chiếc xe đó. Bởi vậy trong ch−ơng này chúng tôi xin trình bày một cách tổn