Thiết kế hệ thống treo khí nén cho xe buýt 2 tầng

LỜI NÓI ĐẦU
Vào đầu những năm 1930, hệ thống treo khí nén đã ra đời và được nghiên
cứu thử nghiệm nghiên cứu bởi hãng Firestone Tire and Rubber. Cho đến
những năm cuối của thập kỷ 30 những chiếc xe có sử dụng hệ thống treo khí
nén bắt đầu được sản xuất và chạy thử tuy nhiên nó vẫn chưa được ứng dụng
rộng dãi như hệ thống treo sử dụng bộ phận đàn hồi bằng kim loại bởi giá
thành của chúng còn khá cao. Cho đến năm 1944, những chiếc xe buýt đầu
tiên sử dụng hệ thống treo khí nén đã được sản xuất và đưa vào sử dụng sau
những nghiên cứu hoàn thiện. Tuy nhiên, phải đến những năm đầu của thập kỉ
50, sau khoảng thời gian dài được nghiên cứu và hoàn thiện mạnh mẽ, xe buýt
sử dụng hệ thống treo khí nén mới chính thức trở thành dịng xe thương mại
và được đưa ra trên thị trường.
Sau những thành cơng của hệ thống treo khí nén sử dụng cho xe buýt, hệ
thống treo khí nén cũng được nghiên cứu để ứng dụng cho xe tải và thu được
những thành tựu đáng kể.Tiếp theo sau đó hệ thống điều khiển áp suất khí nén
cung cấp cho hệ thống treo cũng được nghiên cứu phát triển và hoàn thiện.
Ngày nay, với những ưu điểm vượt trội của mình , hệ thống treo khí nén được
ứng dụng rộng dãi trên tất cả các loại xe, cùng với đó là hệ thống điều khiển
điện tử cho loại hệ thóng treo này đã trở lên phổ biến trên toàn thế giới.
Tại Việt Nam, trong vài năm trở lại đây, nền kinh tế phát triển mạnh mẽ
kéo theo nhu cầu về vận chuyển và giao thơng cũng có những u cầu phát
triển mới. Các nhà sản xuất xe buýt tại Việt Nam cũng đưa ra các sản phẩm
xe buýt hai tầng sử dụng hệ thống treo khí nén nhằm tăng năng suất vận
chuyển đồng thời đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về tính tiện nghi của
phương tiện giao thông vận tải. Tuy nhiên, các nhà sản xuất xe buýt tại Việt
Nam hầu hết chỉ nhập xe cơ sở mà chưa có một nghiên cứu nào về đặc tính

1


làm việc, quy trình tính tốn ,thiết kế cho hệ thống treo khí nén được đưa ra

tại Việt Nam.
Đề tài tốt nghiệp của em được hình thành như một nhu cầu cần thiết nhằm
cung cấp cho độc giả những kiến thức chung về đặc tính làm việc, quy trình
tính tốn thiết kế hệ thống treo khí nén cho xe buýt hai tầng nói riêng và trên
ơ tơ nói chung.
Đề tài đã hồn thành với sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy Võ Văn Hường và
nhân viên công ty ô tô 1-5. Tuy nhiên , do thời gian ngắn, kiến thức của người
viết còn hạn chế và nguồn tài liệu còn thiếu thốn lên đề tài khơng tránh khỏi
những thiếu sót. Kính mong thầy duyệt cùng các thầy trong hội đồng bảo vệ
tốt nghiệp cùng độc giả đóng góp những ý kiến để em có được cái nhìn chính
xác hơn, tồn diện hơn về đề tài thiết kế của mình.
Cuối cùng em xin được gửi lời cảm ơn chân thành sự giúp đỡ nhiệt tình,
những hướng dẫn quý báu của thầy Võ Văn Hường, đồng thời em cũng xin
được gửi lời cảm ơn tới các thầy trong bộ mơn Ơ tơ và xe chuyên dụng trang
bị cho em những kiến thức trong q trình học tập giúp em hồn thành đồ án
tốt nghiệp của mình.

Hà Nội ngày 5 tháng 6 năm 2010
Sinh viên

Chu Văn Huỳnh

2


CHƯƠNG I
HỆ THỐNG TREO VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
CHO XE BUÝT HAI TẦNG
Khi ôtô chuyển động trên đường không bằng phẳng thường chịu những
tải trọng dao động do bề mặt đường mấp mô sinh ra. Những dao động này ảnh

hưởng xấu đến người ngồi trên xe và độ bền của các chi tiết, các cụm và hệ
thống trên xe. Do đó cần phải hạn chế các dao động không mong muốn trên
và đem lại cảm giác êm dịu khi xe chuyển động. Tính êm dịu trong chuyển
động phụ thuộc trước hết vào hệ thống treo của xe và các kết cấu của xe sau
đó là cường độ kích động và kỹ thuật lái xe.
“Hệ thống treo “là hệ thống liên kết giữa bánh xe và khung xe hoặc vỏ
xe. Mối liên kết đó là mối liên kết đàn hồi, nhờ có các phần tử đàn hồi, nó có
các chức năng chính sau :
* Cho phép bánh xe chuyển động tương đối theo phương thẳng đứng
đối với khung xe hoặc vỏ xe theo yêu cầu dao động “êm dịu”, hạn chế đến
mức cho phép những chuyển động không muốn có khác của bánh xe (như lắc
ngang, lắc dọc ...).
* Truyền lực và mômen giữa bánh xe và khung xe : Gồm có lực thẳng
đứng ( tải trọng, phản lực ), lực dọc ( lực kéo, lực phanh, lực đẩy), lực bên
(lực ly tâm, lực gió bên, phản lực bên ...) mômen chủ động, mômen phanh.
Mối liên kết giữa bánh xe với khung, vỏ xe phải là mối liên kết mềm
nhưng cũng phải đảm bảo khả năng truyền lực. Quan hệ này cần có những
yêu cầu sau :

3


- Hệ thống treo phải phù hợp với điều kiện sử dụng theo tính năng kỹ
thuật của xe như chạy trên đường tốt hoặc đường gồ ghề.
- Bánh xe có khả năng chuyển dịch trong một giới hạn không gian hạn
chế.
- Quan hệ động học của bánh xe phải hợp lý thoả mãn mục đích chính
của hệ thống treo đó là làm mềm theo phương thẳng đứng nhưng không phải
phá hỏng các quan hệ động lực học và động học của chuyển động bánh xe.
Đặc biệt là với bánh xe dẫn hướng.

- Không gây nên tải trọng lớn tại các mối liên kết với khung hoặc vỏ.
- Có độ bền cao đối với các chế độ tải trọng.
- Có độ tin cậy lớn, trong điều kiện sử dụng phải phù hợp với tính năng
kỹ thuật khơng gặp những hư hỏng bất thường.
1.1. CƠNG DỤNG, PHÂN LOẠI VÀ U CẦU
1.1.1. Cơng dụng
Các bộ phận của hệ thống treo dùng để nối khung hay vỏ với các cầu
(bánh xe) ôtô và từng bộ phận thực hiện các nhiệm vụ sau :
- Bộ phận đàn hồi làm nhiệm vụ giảm nhẹ các tải trọng thẳng đứng
tác dụng từ bánh xe lên khung và ngược lại nhằm đảm bảo độ êm dịu cần
thiết khi xe di chuyển.
- Bộ phận dẫn hướng để truyền lực dọc, ngang và mômen từ đường
lên các bánh xe. Động học của bộ phận dẫn hướng xác định tính chất dịch
chuyển tương đối của bánh xe đối với khung.
- Bộ phận giảm chấn để dập tắt các dao động của phần được treo và
không được treo của ôtô.
1.1.2. Phân loại
Việc phân loại hệ thống treo dựa theo các căn cứ sau :
- Theo loại bộ phận đàn hồi chia ra :

4


+ Loại bằng kim loại ( gồm có nhíp lá, lị xo, thanh xoắn )
+ Loại khí ( loại bọc bằng cao su - sợi, màng, loại ống ).
+ Loại thuỷ lực (loại ống ).
+ Loại cao su.
- Theo sơ đồ bộ phận dẫn hướng chia ra :
+ Loại phụ thuộc với cầu liền.
+ Loại độc lập.

-Theo phương pháp dập tắt dao động chia ra :
+Loại giảm chấn thuỷ lực ( loại tác dụng một chiều, loại tác dụng
2 chiều ).
+Loại ma sát cơ ( ma sát trong bộ phận đàn hồi, trong bộ phận
dẫn hướng).
1.1.3. Yêu cầu
- Độ võng tĩnh ft ( độ võng sinh ra do tác dụng của tải trọng tĩnh) phải
nằm trong giới hạn cho trước nhằm đảm bảo được các tần số dao động riêng
của vỏ xe, khơng gây cảm giác khó chịu cho người ngồi trên xe và độ võng
động fđ ( độ võng sinh ra khi ôtô chuyển động ) phải đủ để đảm bảo vận tốc
chuyển động của ôtô trên mọi địa hình nằm trong giới hạn cho phép. Độ võng
tĩnh càng lớn thì độ êm dịu chuyển động càng tăng. Khi tính tốn độ êm dịu
chuyển động (các dao động ) tần số dao động riêng cần thiết n phải do độ
võng tĩnh ft quyết định. Để đảm bảo độ êm dịu chuyển động thì tỉ số độ võng
tĩnh ftt của hệ treo trước với fts của hệ treo sau phải nằm trong giới hạn cho
phép.
- Động học của bánh xe dẫn hướng vẫn giữ đúng khi các bánh xe dẫn
hướng dịch chuyển trong mặt phẳng thẳng đứng.
- Đảm bảo hệ số bám trung bình của bánh xe với nền đường.

5


- Dập tắt nhanh các dao động của vỏ xe và các bánh xe khi xe chuyển
động trên các địa hình khác nhau.
- Giảm tải trọng động khi ơ tơ chuyển động trên nền đường xấu .
- Độ nghiêng ngang thùng xe của ôtô nhỏ: Với ôtô buýt chạy trong
đường góc nghiêng ngang cho phép 40  60.
1.2. LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
Một số yêu cầu đặt ra khi thiết kế hệ thống treo cho xe buýt đó là :

- Xe buýt được sử dụng để vận chuyển hành khách đi lại với các
khoảng cách khác nhau do vậy người ngồi, đứng và nằm trên xe có thể phân
bố không đều dẫn đến việc phân tải cho các cầu của xe cũng khác nhau.
- Trong quá trình hoạt động của xe, hành khách lên xuống tại các điểm
đỗ với các độ cao khác nhau do vậy phải có sự điều chỉnh của sàn xe để thuận
lợi cho việc lên xuống.
- Nâng cao tính tiện nghi của xe đó là khả năng thay đổi chiều cao
trọng tâm xe trong một dải rộng.
- Hệ treo có độ tin cậy cao.
- Xe buýt hai tầng được dùng trong vẩn chuyển khách đường dài nên
đòi hỏi độ êm dịu cao,tránh gây mệt mỏi cho hành khách đi đường đồng thời
tần số dao động riêng được quản lí chặt chẽ để khơng gây cảm giác khó chịu
cho khách đi trên xe.
Để đáp ứng được những yêu cầu đó, trên các xe buýt hiện nay người ta đã
sử dụng rất nhiều chủng loại hệ treo như:
1.2.1. Hệ treo cơ khí
Hệ treo cơ khí với phần tử đàn hồi là kim loại: nhíp lá, lị xo, thanh xoắn ...

6


a. Ưu điểm

Hình 1.1: Hệ treo cơ
khí

- Cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo, dễ bố trí .
- Cho phép chịu được tải trọng lớn.
b. Nhược điểm
- Sự thay đổi chiều cao lớn, trong quá trình làm việc sẽ ảnh hưởng đến tần số

dao động của xe có thể gây khó chịu cho hành khách đi trên xe Hệ treo cơ khí
khơng tự động thay đổi được độ cao thân xe nên không đem lại cảm giác thoải
mái và tiện nghi cho hành khách.
1.2.2. Hệ treo khí nén
Với phần tử đàn hồi là buồng
khí nén có tác dụng nhiều trong các
ơtơ có trọng lượng phần được treo
lớn và thay đổi nhiều như các loại
xe : xe buýt, xe tải, đoàn xe.

Hình 1.2: Hệ treo
khí nén

a) Ưu điểm

7


+ Có khả năng tự động thay đổi độ cứng của hệ thơng treo (bằng cách
thay đổi áp suất khí nén bên trong phần tử đàn hồi hoặc diện tích làm việc hữu
ích) để cho ứng với các chế độ tải trọng khác nhau, độ võng tĩnh và tần số dao
động riêng của phần được treo là không đổi .
+ Giảm được độ cứng của hệ thông treo sẽ làm độ êm dịu chuyển động
tốt hơn. Một là giảm được biên độ dịch chuyển của buồng lái trong vùng có
tần số thấp, hai là đẩy được sự cộng hưởng xuống vùng có tần số thấp hơn,
giảm gia tốc thẳng đứng của buồng lái và giảm sự dịch chuyển của vỏ và
bánh xe.
+ Đường đặc tính của hệ thống treo khí nén là phi tuyến và tăng trong
cả hành trình nén và trả, nên dù cho khối lượng phần được treo và phần không
được treo bị giới hạn do các dịch chuyển tương đối đi nữa thì độ êm dịu của

hệ thống treo vẫn tốt.
+ Hệ thống treo khí nén cịn có một ưu điểm nữa đó là khơng có ma sát
trong các phần tử đàn hồi, trọng lượng của phần tử đàn hồi bé và giảm được
chấn động cũng như giảm tiếng ồn từ bánh xe lên buồng lái.
+ Khi sử dụng hệ thống treo khí nén có thể thay đổi được vị trí của vỏ
xe đối với mặt đường nghĩa là thay đổi chiều cao chất tải.
+ Trọng lượng của hệ thống treo này chủ yếu là ở trọng lượng bộ phận
dẫn hướng và trang bị để cung cấp khí cịn chính trọng lượng của bản thân bộ
phận đàn hồi lại rất bé.
b) Nhược điểm
Nhược điểm lớn nhất đối với hệ treo khí nén đó là khả năng dẫn
hướng. Phần tử đàn hồi là buồng khí nén khơng đóng vai trò vừa là đàn hồi
vừa là bộ phận dẫn hướng như ở hệ treo cơ khí đối với nhíp lá. Khả năng
truyền lực dọc và ngang của hệ treo khí nén là rất kém. Do vậy mà phải thiết
kế cơ cấu dẫn hướng phù hợp và đảm bảo khả năng truyền lực tốt nhất.

8


Việc điều khiển hệ thống treo khí nén có 2 loại cơ bản đó là :
- Điều khiển cơ khí : Tín hiệu điều khiển lấy từ 3 cảm biến xác định chiều
cao thân xe. Chiều cao thân xe thay đổi sẽ điều khiển cho van điều chỉnh hoạt
động. Ở loại này việc điều khiển thơng qua van cơ khí nên có kết cấu khá
phức tạp.
- Điều khiển điện từ: Ở loại điều khiển điện từ này sẽ có 3 cảm biến đặt ở
cầu trước và cầu sau dạng điện trở đo khoảng cách giữa cầu xe và thân xe.
Các cảm biến này gửi thông tin tới bộ điều khiển trung tâm dưới dạng xung
tín hiệu, các tín hiệu được xử lí và điều khiển cho van điện từ cấp và xả khí
nén. Chiều cao thân xe ln giữ ở một vị trí ban đầu tương ứng với tải trọng
tĩnh. Đồng thời van cịn có khả năng điều khiển chiều cao thân xe tự động để

hành khách được lên xuống thuận lợi.
1.2.3. Hệ treo thuỷ khí
Hệ treo thuỷ khí có bộ phận đàn hồi khí làm theo loại ống Telêscốp. Áp
suất của khí nén truyền qua chất lỏng sẽ làm
dập tắt dao động. Bộ phận đàn hồi thuỷ khí
đồng thời làm ln cả nhiệm vụ giảm chấn.
Việc làm kín chất lỏng dễ hơn làm kín đối với
khí nén cho nên bộ phận đàn hồi thuỷ khí
dùng áp suất khá cao (đến 20MN/m2). Việc
truyền lực từ bánh xe lên bộ phận khí thơng
qua bộ phận thuỷ lực.
Xe bt hai tầng đã được sử dụng rộng
rãi ở các nước phát triển do những ưu điểm
riêng trong vận tải và rất thuận tiện cho việc
đi lại đồng thời có tính tiện nghi cao. Một hệ
thống đóng vai trị rất quan trọng đem lại tính

9

Hình 1.3: Hệ treo
thủy khí


tiện nghi đó chính là hệ thống treo của xe.
Hệ treo cơ khí có những ưu điểm riêng tuy nhiên nhược điểm đó là khó
có thể thay đổi được chiều cao trọng tâm của xe, không đem lại cảm giác
thoải mái và tiện nghi cho hành khách đi trên xe.
Hệ treo thuỷ khí đáp ứng được mọi yêu cầu của hệ treo cho xe buýt tuy
nhiên kết cấu phức tạp. Trong quá trình làm việc cũng đảm bảo được khả
năng điều chỉnh độ cao của xe nhưng khi điều khiển lưu lượng dịng chất lỏng

có tác dụng chậm.
Hệ treo khí nén có kết cấu buồng đàn hồi khá đơn giản và được sản
xuất hàng loạt theo tiêu chuẩn. Với những ưu điểm trên nó có thể đáp ứng mọi
yêu cầu trong vận chuyển hành khách đối với xe buýt.
Trong đồ án này em lựa chọn hệ treo khí nén để bố trí cho xe buýt hai
tầng. Hệ treo khí nén thiết kế cho cả cầu trước và cầu sau của xe với hệ thống
điều khiển điện từ.
1.2.4. Lựa chọn sơ đồ treo
a. Hệ treo độc lập
Hệ thống treo độc lập hai bánh xe trái và phải khơng có quan hệ trực tiếp
với nhau. Vì vậy trong khi dịch chuyển bánh xe này trong mặt phẳng ngang,
bánh xe kia vẫn đứng nguyên. Do đó động học của bánh xe dẫn hướng giữ
đúng hơn. Hệ thống treo độc lập có thể là treo đòn ngang, đòn dọc ...
Hệ treo độc lập với những ưu điểm riêng phù hợp cho cầu dẫn hướng ở
xe con và xe du lịch. Đặc biệt có thể bố trí ở các cầu
b. Hệ thống treo phụ thuộc
Đặc trưng của hệ thống treo phụ thuộc đó là dầm cầu cứng liên kết giữa
hai bánh xe. Với cầu chủ động thì tồn bộ cụm truyền lực cầu xe nằm trong
dầm cầu. Ở cầu dẫn hướng thì dầm cầu làm bằng thép định hình liên kết dịch
chuyển của hai bánh xe dẫn hướng.

10


*) Nhược điểm của hệ thống treo phụ thuộc:
- Khối lượng phần không được treo lớn. Tải trọng động xuất hiện sẽ gây
nên va đập mạnh giữa phần không được treo và phần được treo làm giảm độ
êm dịu khi chuyển động của xe. Ngoài ra các bánh xe sẽ mất đi khả năng bám
hay làm giảm sự tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường .
- Khoảng không gian dưới gầm xe thấp nên có thể gây va đập.

- Dầm cầu cứng nối liền hai bánh xe, trong quá trình chuyển động nếu
phản lực tác dụng từ mặt đường lên hai bánh xe là khác nhau sẽ gây nên các
chuyển vị phụ làm ảnh hưởng đến tuổi thọ của cầu xe và động học chuyển
động của xe.
*) Ưu điểm của hệ thống treo phụ thuộc :
- Dầm cầu cứng liên kết các bánh xe nên trong quá trình chuyển động
vết bánh xe được cố định do vậy mà giảm được độ mòn của lốp do trượt
ngang của bánh xe so với hệ treo khác.
- Dưới tác dụng của các thành phần lực bên như : lực ly tâm , lực gió
bên, thành phần lực sinh ra khi xe chuyển động trên đường nghiêng, các bánh
xe được liên kết cứng với dầm cầu nên hạn chế rất lớn khả năng trượt ngang
của bánh xe.
- Công nghệ chế tạo đơn giản, dễ tháo lắp và sửa chữa, giá thành thấp.
Với những ưu điểm như vậy hệ treo phụ thuộc được sử dụng rộng rãi
trên xe tải, xe con, xe khách, xe buýt. Xe buýt chạy trên đường tốt thành phố,
vận tốc chuyển động của ơtơ khơng lớn nên bố trí hệ thống treo phụ thuộc là
phù hợp.
*) Kết cấu treo trước phụ thuộc
- Sử dụng đòn Panhada : Đòn Panhada được sử dụng cho phép dịch
chuyển cầu xe theo các phương dọc và ngang là nhỏ nhất.
- Hệ treo hỗn hợp kim loại và khí nén : Khi đó nhíp lá sẽ đảm nhận nhiệm vụ

11


dẫn hướng. Vấn đề điều chỉnh độ cao tĩnh phù hợp với mọi điều kiện hoạt
động của ôtô do phần tử đàn hồi khí nén đảm nhận.
- Sử dụng cơ cấu dẫn hướng hình bình hành có địn trên dạng chữ V để
có khả năng chịu lực ngang và lực dọc. Ta sẽ lựa chọn phương án bố trí này
cho hệ treo phía trước của xe .

Hình 1.4 . Treo trớc hỗn
hợp

Hình 1.5 . Treo trước
Panhada

*) Kết cấu treo sau phụ thuộc
Dùng 2, 4 buồng đàn hồi dạng gấp và hai địn dẫn hướng hình bình hành
với các địn ngang bố trí tam giác, đảm bảo khả năng truyền tốt lực bên. Đối

12


với hệ treo sau là hệ treo cầu kép phụ thuộc ta cũng có thể bố trí theo kiểu sau
:

Hình1.6 . Treo sau bốn
buồng

Hình 1.8 . Treo sau sáu
buồng

Hình 1.9 . Treo sau tám
buồng

13


Số buồng phân bố cho mỗi cầu phụ thuộc vào tải trọng tính tốn ứng

với tải trọng định mức cho phép của buồng đàn hồi và cách bố trí khơng gian
gầm xe.
1.3. CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA XE
- Chiều dài tổng thể của xe : 14,4 (m)
- Chiều rộng tổng thể của xe: 2,5 (m)
- Chiều cao tổng thể của xe : 4,2 (m)
- Chiều dài cơ sở của xe

: 7,5 (m)

- Trọng lượng của xe khi đầy tải : G =25513 (Kg)

CHƯƠNG II
TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG TREO KHÍ NÉN CHO
XE BUÝT HAI TẦNG
2.1. CƠ SỞ LÍ THUYẾT HỆ THỐNG TREO KHÍ NÉN
Hệ thống treo khí nén thực chất là hệ thống treo cơ bản với phần tử đàn
hồi là buồng đàn hồi khí nén, trong đó có mơi chất là khí nén. Hệ thống treo
khí nén làm việc đảm bảo mọi yêu cầu như đối với các hệ thống treo khác tuy
nhiên với việc bố trí hệ thống treo khí nén trên xe bt ngồi những ưu điểm
riêng nó cịn có khả năng nâng cao tính tiện nghi cho xe. Mặt khác do đặc thù
của loại treo khí nén là buồng đàn hồi khơng đảm nhận thêm vai trò dẫn
hướng như đối với hệ treo cơ khí nên khơng thể truyền được lực ngang, lực
dọc của xe. Do vậy đối với hệ treo này phải có hệ thống các đòn dẫn hướng
riêng biệt.

14


2.1.1. Cơ sở lý thuyết của bộ phận đàn hồi

Bộ phận đàn hồi của hệ thống treo khí nén có dạng buồng, bên trong có
mơi chất là khí nén, áp lực khí nén được tạo ra phụ thuộc vào tải trọng bên
ngoài.
Với :
- Fp : Tải trọng đặt lên buồng đàn hồi.
- pa : Áp suất khí quyển.
- p : Áp suất khí nén trong buồng đàn hồi.
- S : Diện tích làm việc buồng đàn hồi
Hình vẽ 2.1:

Hình2.1. Sơ đồ tính

Fp = (p -pa)S
Hay là :

(2.1)

F p = p zS

Trong đó:
- pz là độ chênh áp suất của buồng khí nén.
-S=

 2
d w là diện tích làm việc của buồng khí nén với đường kính
4

dw. Nếu như dw thay đổi thì S cũng thay đổi, có thể viết: S = f(z).
Ở trạng thái tĩnh tải trọng đặt nên buồng đàn hồi là:
Fs = (ps -pa)S

(2.2)

Trong đó : ps là áp suất khí nén ở trạng thái tĩnh.
Mối quan hệ của Fp và z. được thể hiện qua đồ thị sau :

15


a) Buồng
xếp

b) Buồng
gấp
Hình 2.2. Quan hệ của F

Với loại buồng gấp, trong khoảng làm việc nhất định, buồng đàn hồi khi bị
nén lại có thể làm giảm diện tích làm việc, do đó cần thiết phải tạo dáng
pittong một cách thích hợp.
Trên đường đặc tính trên xác định tại z = 0, tương ứng với chiều cao tĩnh
của của buồng đàn hồi, quan hệ của áp suất p z là khơng thay đổi. Trong thực
tế các đường cong này cịn xác định sao cho: áp suất p z được giữ cho không
thay đổi (khoảng 0,5 Mpa). Như vậy quan hệ giữa F và z ở trạng thái tĩnh cho
với áp suất không đổi.
Sự biến đổi của S theo khoảng nhỏ dz gọi là hệ số biến đổi diện tích làm
việc U:
U=

dS
dz

(2.3)

Khi z = 0, áp suất khí nén khoảng 0,5 Mpa. Giá trị của U như sau:
U > 0 – diện tích làm việc tăng lên,
U = 0 – diện tích làm việc khơng thay đổi,
U < 0 – diện tích làm việc giảm đi.

16


Giá trị U có thể biểu thị nhờ thể tích khơng gian bên trong. Nếu như thể
tích làm việc giảm xuống, có quan hệ về sự biến đổi thể tích nhỏ của buồng
khí nén:
dV= - dS.dz hay là:

dV
 dS
dz

d 2V
dS
Đạo hàm một lần nữa:


 U
dz
dz 2
d 2V
Ở đây: U 

( gọi là hệ số biến đổi diện tích khi thay đổi chiều cao).
dz 2
a. Đặc tính tải của buồng đàn hồi
Quan hệ S = f(z), S = f(pP) hay V= f(z) được gọi là đặc tính hình học của
buồng đàn hồi.
Ở trạng thái tĩnh buồng đàn hồi được đặc trưng bởi các thông số :


Chiều cao tĩnh của buồng đàn hồi Hs (chiều cao cần đạt của buồng

đàn hồi).


Tải trọng tĩnh của buồng đàn hồi Fs



Áp lực khí nén trong buồng đàn hồi pp



Diện tích làm việc Ss hay là hệ số biến đổi diện tích làm việc Us.

Dưới tác dụng của tải trọng đặt lên buồng đàn hồi chiều cao buồng đàn
hồi biến đổi thường xuyên, dẫn tới thay đổi giá trị diện tích làm việc và thể
tích của buồng đàn hồi. Cả hai giá trị này chịu ảnh hưởng của kết cấu buồng
đàn hồi (dạng của pittông). Khi thay đổi thể tích dẫn tới thay đổi áp suất trong
buồng đàn hồi. Coi khí nén trong buồng đàn hồi là khí lí tưởng và biến đổi
tn theo q trình đa biến. Ta có phương trình trạng thái biểu thị quan hệ của
áp suất và thể tích.

17


p.Vn = const

(2.4)

Quan hệ của các trạng thái:
ps.Vsn = p.Vn

(2.5)

Trong đó :
- ps = pPs+ pa : Áp suất tuyệt đối của khí nén ứng với chiều cao
tĩnh buồng đàn hồi.
- p = pP + pa : Áp suất tuyệt đối của khí nén ứng với chiều cao
thay đổi của buồng đàn hồi.
Thay vào công thức (2.5) và biến đổi :
n

V 
pP =  s  ( p ps  p a )  p a
V 
(2.6)
Trong đó:
- pa : Áp suất khí quyển.
- pps : Áp suất buồng đàn hồi ở chiều cao tĩnh Hs.
- pp : Áp suất buồng đàn hồi ở chiều cao tức thời.
- V : Thể tích buồng đàn hồi ở chiều cao tức thời.

- Vs : Thể tích buồng đàn hồi ở chiều cao tĩnh .
- n : Trị số mũ đa biến của phương trình trạng thái khí lí tưởng.
Để giả thiết trên là đúng thì khí nén trong buồng đàn hồi phải thỏa mãn giả
thiết sau : Khi biến dạng, lưu lượng của buồng đàn hồi không thay đổi, tức là
khi làm việc buồng đàn hồi khơng nạp và xả khí nén bằng van điều chỉnh.
Khi bị nén, piston di chuyển một đoạn z. Thể tích buồng khí nén ở trạng
thái tức thời :

V= Vs – S.z.

18


n

Ta có:

 Vs 
V 

pP =  s  p s  p s 
V 
 Vs  S .z 

n

Tải trọng F đặt lên buồng đàn hồi ở chiều cao làm việc tức thời (z) và diện
tích tức thời S :

F = S.pP

 V s  n



Vsn
ps  pa  S
F =   p s  p a  S = 
n
 V 

 ( Vs  S .z )


(2.7)

Trong công thức (2.7) V= f(z) (bỏ qua sự thay đổi nhỏ của S bởi sự thay
đổi của áp suất). Quan hệ này có thể biểu biễn bằng đồ thị đối với áp suất hay
lực tác dụng (pp = f(z)).
Quan hệ F = f(z) gọi là đặc tính tải của buồng đàn hồi.
Hệ số mũ đa biến n phụ thuộc vào tốc độ thay đổi thể tích của buồng đàn
hồi, nhiệt độ mơi trường, tốc độ dịng khí của mơi trường.
Ta có thể giả thiết như sau :
- Khi xe chạy trên đường không bằng phẳng, sự thay đổi thể tích nhanh
n = 1,38 (hay 1,40). Ứng với trạng thái pVn = const
- Khi chạy vào đường vòng hoặc quay vịng (có sự nghiêng ngang
thân xe) sự thay đổi thể tích chậm n = 1. Ứng với trạng thái pV = const.
- Quan hệ F = f(z) khi n = 0. Ứng với trạng thái pp = const.
Ta có đường đặc tính tham khảo :

19

Hình 2.3.
Đặc tính tải của phần tử đàn hồi khí
nén

Đường cong khi n = 1,0 gọi là đặc tính tải tĩnh của buồng đàn hồi.
Đường cong khi n = 1,4 gọi là đặc tính tải động của buồng đàn hồi.
*) Buồng đàn hồi có thể tích phụ
Buồng
thể tích
phụ

Thể tích phụ có ảnh hưởng lớn
đến đường đặc tính tải phần tử đàn
hồi. Các thể tích phụ có thể là
buồng dự trữ hay là hộp dự trữ
như ở hình 2.4.
Nếu tính cả buồng thể tích phụ
Vd này vào thì thể tích tại trạng thái

Hình2. 4. Buồng thể tích
phụ

tĩnh là: Vs+Vd, khi chiụ tải thay đổi
là V+Vd. Nhu vậy:
 V  V
s
d
F= 

V

V

d

n


 p s  p a  S



(2.8)

Phương trình này gọi là đặc tính tải của buồng
đàn hồi có bình khí phụ. Cùng với sự tăng cuả
Vs  Vd

Vd tỷ lệ V  V càng giảm, có nghĩa là giảm lực F.
d
V V

s
d
nếu Vd  thì V  V 1 , hay là F = f(z) có
d

20

quy luật giống quy luật khi n = 0.
Đường cong này biểu diễn trên hình 2.5.
Hình 2.5. Ảnh hưởng của
buồng
thể tích phụ tới đặc tính tải

Từ hình 2.5 nhận ra rằng: thể tích

phụ Vd làm giảm thấp độ cứng của buồng đàn hồi.
b. Độ cứng của phần tử đàn hồi khí nén

Độ cứng của buồng đàn hồi có thể xác định từ đường đặc tính tải trọng
thực nghiệm bằng cách xây dựng đường tiếp tuyến của đường cong F= f(z) tại
điểm khảo sát. Cơng thức của nó được tính tốn tại lân cận điểm z = 0 như
trên hình vẽ , với :

C=

F ( z 10 )  F ( z 0 )
10

(2.9)

Hình 2.6. Xác định độ cứng của buồng
đàn hồi

Mặt khác độ cứng của buồng đàn hồi còn được xác định theo lí thuyết.
 dF 

Định nghĩa độ cứng như sau: C=  dz  (N/m).


Nếu coi: F = S.pP , với sự thay đổi thể tích của buồng đàn hồi dẫn tới thay
đổi áp suất khí nén và diện tích truyền tải trọng thì:

21


n. p s .Vsn .S 2
dF

C=
dz ( Vs  S .z ) n 1

(2.10)

Từ (2.10) ta thấy độ cứng của phần tử đàn hồi C bao gồm hai thành phần:
Độ cứng do thay đổi thể tích V, độ cứng do thay đổi diện tích S.
Độ cứng thể tích tạo nên bởi sự thay đổi thể tích và phụ thuộc vào áp suất
tuyệt đối ps và áp suất khí nén pps.
Độ cứng diện tích được tạo nên bởi sự thay đổi diện tích làm viêc hữu ích.
Sự giảm thấp độ cứng C trong thực tế được tiến hành bằng sự thay đổi diện
tích làm việc của pittơng.
Ở trạng thái tĩnh (z = 0) độ cứng của buồng đàn hồi được xác định:
n. p s .S 2
Cs =
Vs

(2.11)

Trong đó:
- ps là áp suât tuyệt đối tương ứng với chiều cao tĩnh của buồng
đàn hồi (Hs).
Với tải trọng tĩnh đặt nên buồng đàn hồi : F = Fs = p ps .S = (ps -pa)S
Độ cứng ở trạng thái tĩnh là:
Cs =

n.( Fs  p a S )S
Vs

(2.12)

Ở trạng thái làm việc của buồng đàn hồi, độ cứng của buồng đàn hồi được xác
định :
Cz =

n.( Fz  p a S )S
V

(2.13)

Trong đó: Fz là tải trọng ở trạng thái làm việc đặt nên buồng đàn hồi.
Khi tải trọng thay đổi thì áp lực của khí nén được xác định:

22


p=

Fz  p a .S
S

Trong trường hợp khối lượng khí khơng đổi, tồn tại sự thay đổi thể tích
khí do sự thay đổi nhỏ của tải trọng thì :
V=

F  p a .S
ps
Vs
Vs = s
Fz  p a .S
p

Độ cứng của phần tử đàn hồi khi đó :
2
n.( Fz  p a S )S n.( Fz  pa .S ) S
Cz =
=
( Fs  pa .S ).Vs
V

c. Tần số dao động riêng
Tần số dao động riêng của phần khối lượng được treo có thể xác định khi
đã biết độ cứng của phần tử đàn hồi :
Ở trạng thái tĩnh tần số dao động riêng được đĩnh nghĩa :
o =

Cs
=

m

C s .g
( p s  p a )S

(2.14)

Thay độ cứng tĩnh của phần tử đàn hối:
os =

n. p .g .S
( p s  p a )Vs

(2.15)

Như vậy muốn có tần số thấp thì cần có thể tích buồng đàn hồi lớn. Tần số
dao động riêng ở tại một vị trí nhất định không phụ thuộc vào tải trọng đặt lên
buồng đàn hồi.
Tần số dao động riêng ở trạng thái làm việc:
oz =

Cz
=
mz

C z .g
Fz

(2.16)

Tỷ số của tần số dao động riêng của hệ thống khơng có giảm chấn khi đó
sẽ là:

23


s
=


C s .Fz Fs  pa .S
=
C z .Fs Fz  pa .S

Fz

Fs

Fz
=
Fs

m
ms

(2.17)

Nếu bỏ qua ảnh hưởng của áp suất khí quyển, thỉ tần số dao động riêng
của hệ thống khi tăng tải trọng sẽ tăng theo căn bậc hai của sự tăng khối
lượng dao động, xe có tải sẽ có đặc tính xấu hơn khi khơng tải xét về tính tiện

nghi êm dịu.
Chúng ta giả thiết rằng: khi thay đổi tải trọng thể tích buồng đàn hồi
khơng biến đổi (nhưng khối lượng khí nén gia tăng), thì độ cứng của phần tử
n.P0.V0n
đàn hồi khi đó sẽ là: Cz = n1 n 1
S x
Tỷ số của tần số dao động riêng của hệ thống khơng có giảm chấn sẽ là:

s
=


C s .Fz
F .F  F . p .S
= z s s a  1
Fs .Fz  Fz . pa .S
C z .Fs

(2.18)

Các quan hệ trên đúng trong trường hợp bộ phận đàn hồi đặt trực tiếp lên
bánh xe.
d. So sánh buồng khí nén và nhíp lá
Bộ đàn hồi khí nén thường dùng trên xe buýt (có chiều cao ổn định thuận
lợi cho việc lên xuống ôtô và nâng cao tiện nghi cho hành khách). Sau này hệ
thống này còn dùng cho cả xe tải, đồn xe. Trên xe con khơng dùng phương
pháp này vì khơng có nguồn khí nén, ngoại trừ truờng hợp của xe Renault
Vesta 2.

So sánh chung thông qua đồ thị:

24


Hình 3.8. So sánh độ cứng và
tần số

Hình3.9. So sánh sự đàn
hồi

2.1.2. Một số dạng buồng khí nén tiêu chuẩn

Ngày nay tồn tại hai loại buồng đàn hồi (hình vẽ ):
- Buồng xếp ( hình a )
- Buồng gấp ( hình b )
Buồng đàn hồi dạng xếp có từ 2
đến 4 lớp sóng, khơng có pittong
thực. Các lớp sóng được định dạng

dw

dw

nhờ các vịng kim loại và có khả năng
chống biến dang va đập cao. Tuổi thọ

Hình 2.10. Các dạng buồng

hiện nay chừng 500.000km.
Độ cứng theo chu vi của lớp cao su khá lớn. Buồng đàn hồi dạng này chỉ

có khả năng biến dạng theo chiều cao.
Buồng chứa khí dạng trụ gấp là dạng có pittơng, cịn được gọi là buồng
dạng màng. Pittông được dịch chuyển trong khi đàn hồi. Đồng thời cũng tạo
nên khả năng biến dạng hướng kính lớn. Bởi vậy tuổi thọ của vật liệu địi hỏi
cao.
Hình dáng của pittơng cũng phải phù hợp với hình dáng của buồng chứa
khí dạng trụ, hay cơn. Bên trong có thể có lị xo phụ. Ngồi việc sử dụng cho
hệ thống treo buồng đàn hồi dạng nay còn thấy trong bộ treo buồng lái trên
ôtô tải hay trên đệm đỡ gối đỡ mâm xoay xe bán moóc. Loại buồng này ngày
nay được dùng rộng

rãi vì khả năng

thay đổi diện tích

làm việc lớn.

+ Buồng xếp

25