VIỆN CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC             CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

BM Ô TÔ VÀ XE CHUYÊN DỤNG                    Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

----------o0o------------

 

 

NHIỆM VỤ THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP

 

1.  ĐỀ TÀI THIẾT KẾ:            Thiết kế hệ thống lái xe 5 chỗ

 

2.  CÁC SỐ LIỆU BAN ĐẦU: Trọng lượng bản thân: 1192 N, Trọng lượng xe đầy tải: 1740 N,

Kích thước: 4560X1780X1445 mm; L = 2700 mm; Vết bánh xe: 1900/1850 mm

 

3.  NỘI DUNG THUYẾT MINH TÍNH TOÁN:

 

- Lựa chọn phương án thiết kế,

- Tính toán các thông số của hệ thống lái,

- Tính bền các chi tiết chính,

- Quy trình tháo lắp, điều chỉnh và sửa chữa HT lái,

- Kết luận.

 

4.  CÁC BẢN VẼ VÀ ĐỒ THỊ: 6 – 7 bản A0

 

- Bản vẽ sơ đồ bố trí hệ thống lái của xe (1A0),

- Bản vẽ kết cấu hệ thống lái (2 - 3A0),

- Bản vẽ tính động học lái       (1A0),

- Bản vẽ chi tiết                                 (1A0),

Mục lục

MỞ ĐẦU.. 4

CHƯƠNG I:           TỔNG QUAN VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ.. 5

1.1Tổng quan. 5

1.1.1 Công dụng. 5

1.1.2 Các trạng thái quay vòng của xe. 5

1.1.3. Phân loại hệ thống lái6

1.1.4 Yêu cầu của hệ thống lái ôtô. 7

1.1.5 Cấu trúc cơ bản và nguyên lí làm việc của hệ thống lái7

1.1.6 Góc đặt bánh xe dẫn hướng. 11

1.1.7 Hệ thống lái có trợ lực. 17

1.2 Phân tích và lựa chọn phương án thiết kế. 20

1.2.1 Phân tích lựa chọn phương án thiết kế cơ cấu lái20

1.2.2 Phân tích lựa chọn phương án thiết kế dẫn động lái24

1.2.3 Phân tích lựa chọn phương án trợ lực lái25

CHƯƠNG II:             TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG LÁI27

2.1 Các số liệu thiết kế. 27

2.2  Tính toán động học hệ thống lái27

2.2.1  Tính momen cản quay vòng lớn nhất27

2.2.2 Tỷ số truyền của hệ thống lái30

2.2.3 Tính các thông số hình học dẫn động lái31

2.3 Tính toán thiết kế cơ cấu lái thanh răng - bánh răng. 38

2.3.1 Chọn vật liệu của cơ cấu. 38

2.3.2 Xác định các thông số của bánh răng. 38

2.3.3 Xác định các thông số của thanh răng. 40

2.3.4 Tính bền cơ cấu lái bánh răng – thanh răng. 41

2.4 Tính bền các chi tiết còn lại hệ thống lái44

2.4.1 Trục lái44

2.4.2 Đòn kéo ngang hình thang lái45

2.4.3 Đòn bên hình thang lái47

2.4.4 Khớp cầu (Rotuyl ). 48

CHƯƠNG III:              THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRỢ LỰC LÁI50

3.1 Đặc điểm của trợ lực lái50

3.1.1 Các yêu cầu của trợ lực lái50

3.1.2 Lựa chọn trợ lực. 50

3.2 Lựa chọn phương án bố trí cường hóa lái50

3.2.1 Van phân phối, xy lanh lực đặt chung trong cơ cấu lái51

3.2.2 Van phân phối, xy lanh lực đặt thành một cụm, tách biệt với cơ cấu lái52

3.2.3 Van phân phối, cơ cấu lái đặt thành một cụm tách biệt với xy lanh lực. 53

3.2.4  Van phân phối, xy lanh lực và cơ cấu lái đặt riêng biệt với nhau. 55

3.2.5 Chọn van phân phối56

3.3  Tính toán trợ lực lái56

3.4  Xây dựng đặc tính làm việc của trợ lực lái:57

3.5  Tính toán xy lanh lực. 59

3.6  Xác định năng suất của bơm.. 61

3.7  Tính các chi tiết của van phân phối63

3.7.1  Tính góc xoay của van quay. 63

3.7.2 Các thông số khác. 64

CHƯƠNG IV:THÁO LẮP BẢO DƯỠNG VÀ  SỬA CHỮA HỆ THỐNG LÁI69

4.1  Dầu mỡ bôi trơn. 69

4.2  Tháo cơ cấu lái69

4.3  Lắp cơ cấu lái70

4.4  Lắp ráp các cụm cường hóa. 70

4.4.1  Lắp ráp các bộ phận của xi lanh. 70

4.4.2   Lắp van phân phối71

4.5  Chẩn đoán những hư hỏng của hệ thống lái ô tô và biện pháp khắc phục. 72

4.6  Bảo dưỡng sửa chữa hệ thống lái75

4.6.1  Bảo dưỡng kỹ thuật hệ thống lái75

4.6.2  Sửa chữa các chi tiết trong hệ thống lái75

KẾT LUẬN.. 78

TÀI LIỆU THAM KHẢO.. 80

 

MỞ ĐẦU

 Ngày nay, nền công nghiệp hiện đại ngày càng phát triển, trên hầu hết các lĩnh vực của nền kinh tế xã hội.

Ngành công nghiệp nói chung và nền công nghiệp ô tô nói riêng đang trong thời kỳ hoàn thiện và phát triển vượt bậc, đảm bảo phục vụ lợi ích tốt nhất của con người, với yêu cầu kỹ thuật và chất lượng không ngừng nâng cao.

Với ngành công nghiệp ô tô, để đảm bảo tính tiện nghi, an toàn cho người sử dụng thì việc thiết kế một hệ thống lái đảm bảo đầy đủ các yêu cầu đặt ra là một điều rất cần thiết trong xã hội hiện đại. Một hệ thống lái phải đảm bảo tính quay vòng đúng của các bánh xe dẫn hướng, điều khiển dễ dàng, dễ chăm sóc sửa chữa, bảo dưỡng và phù hợp với phần lớn đối tượng sử dụng.

Cũng vì thế mà hệ thống lái ngày càng được cải tiến, tiêu chuẩn về thiết kế chế tạo và sử dụng hệ thống lái ngày càng nghiêm ngặt và chặt chẽ hơn.

Qua tìm hiểu và nghiên cứu, cùng với yêu cầu nhiệm vụ của đồ án môn học em được giao nhiệm vụ :‘‘Thiết kế hệ thống lái cho xe con 5 chỗ ”.

Do điều kiện thời gian hạn chế nên trong quá trình thực hiện không tránh khỏi những sai sót, rất mong được các thầy và các bạn tận tình giúp đỡ.

                                                              CHƯƠNG I

TỔNG QUAN VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

1.1Tổng quan

1.1.1 Công dụng

Hệ thống lái của ôtô dùng để thay đổi hướng chuyển động của ôtô nhờ  quay vòng các bánh xe dẫn hướng cũng như để giữ  phương chuyển động thẳng hay chuyển động cong của  ôtô khi  cần thiết .

Việc điều khiển hướng chuyển động của xe được thực hiện như sau: vành lái tiếp nhận lực tác động của người lái và truyền vào hệ thống lái, trục lái truyền mômen từ vô lăng tới cơ cấu lái, cơ cấu lái tăng mômen truyền từ vành lái tới các thanh dẫn động lái, các thanh dẫn động lái truyền chuyển động từ cơ cấu lái đến các bánh xe dẫn hướng. Kết cấu lái phụ thuộc vào cơ cấu chung của xe và của từng chủng loại xe.    

Để quay vòng được thì người lái cần phải tác dụng vào vô lăng một lực. Đồng thời cần có một phản lực sinh ra từ mặt đường lên mặt vuông góc với bánh xe. Để quay vòng đúng thì các bánh xe dẫn hướng phải quay quanh một tâm quay tức thời khi quay vòng. 

1.1.2 Các trạng thái quay vòng của xe

Sự chuyển động và thay đổi hướng chuyển động của xe trên đường là quá trình phức tạp. Khi xe chuyển động trên đường vòng với tốc độ thấp thì ứng với mỗi vị trí góc quay của vành tay lái nhất định bánh xe sẽ quay vòng với một  bán kính quay vòng R₀ tương ứng. Đây có thể coi là trạng thái quay vòng tĩnh (quay vòng đủ).

Trong thực tế xe thường chuyển động ở tốc độ lớn, do vậy quá trình quay vòng là động, trạng thái quay vòng đủ ít xảy ra mà thường gặp là trạng thái quay vòng thiếu và quay vòng thừa xảy ra trên cơ sở của việc thay đổi tốc độ chuyển động, sự đàn hồi của lốp và hệ thống treo.

Khi quay vòng thiếu, để thực hiện quay vòng xe theo bán kính R₀ người lái phải tăng góc quay vành lái một lượng q_vl.

Khi quay vòng thừa, để thực hiện  quay vòng xe theo bán kính R₀ người lái phải giảm góc quay vành lái  một lượng  q_vl.

 Quay vòng thừa và quay vòng thiếu là những trạng thái quay vòng nguy hiểm, làm mất tính ổn định và tính điều khiển của xe vì chúng gia tăng lực ly tâm (vận tốc quay vòng của xe tăng kéo theo lực ly tâm khi quay vòng tăng). Ở những trạng thái này yêu cầu người lái phải có kinh nghiệm xử lý tốt. Vấn đề chất tải, độ đàn hồi của lốp cũng có ảnh hưởng tới tính năng quay vòng và tính an toàn chuyển động của xe, đặc biệt là những xe có vận tốc lớn.

1.1.3. Phân loại hệ thống lái

Có nhiều cách để phân loại hệ thống lái ôtô:

1.1.3.1 Phân loại theo phương pháp chuyển hướng

ü  Chuyển hướng hai bánh xe ở cầu trước (2WS).

ü  Chuyển hướng tất cả các bánh xe (4WS).

ü   Chuyển hướng bằng cách thay đổi vận tốc dài hai bên bánh xe.

1.1.3.2 Phân loại hệ thống lái theo đặc tính truyền lực

ü  Hệ thống lái cơ khí.

ü  Hệ thống lái cơ khí có trợ lực.

1.1.3.3  Phân loại theo kết cấu của cơ cấu lái

ü  Cơ cấu lái kiểu trục vít glôbôit - con lăn.

ü  Cơ cấu lái kiểu trục vít êcu bi – thanh răng – cung răng.

ü  Cơ cấu lái kiểu bánh răng - thanh răng.

ü  Cơ cấu lái loại liên hợp (trục vít, ê cu, cung răng).

1.1.3.4 Phân loại theo cách bố trí vành lái

ü  Bố trí vành lái bên trái (theo luât đi đường bên phải).

ü  Bố trí vành lái bên phải (theo luật đi đường bên trái).

1.1.4 Yêu cầu của hệ thống lái ôtô

 Là một trong các hệ thống quyết định đến tính an toàn và ổn định chuyển động của ô tô là hệ thống lái. Theo đó hệ thống lái cần đảm bảo các yêu cầu sau:

ü  Hệ thống  lái phải đảm bảo điều khiển hướng linh hoạt và an toàn của ô tô trên các loại đường khác nhau tùy thuộc vào vận tốc chuyển động. Sự điều khiển linh hoạt và an toàn phụ thuộc vào các yếu tố kết cấu: khả năng quay vòng lớn nhất trong không gian hạn chế, độ rơ vành lái, tỉ số truyền của hệ thống lái, khả năng tự ổn định của ô tô. Cụ thể:

• Góc quay vành lái tối đa của người lái không vượt quá 5 vòng quay vành lái.
• Lực trên vành lái phù hợp với khả năng điều khiển của người sử dụng.
• Độ rơ vành lái không quá lớn

ü  Hệ thống lái phảm đảm bảo có khả năng giảm các lực va đập từ mặt đường truyền lên vành lái.

ü  Phải có khả năng ổn định hướng chuyển động, đặc biệt là khi xe đi thẳng.

ü  Hạn chế tối đa ảnh hưởng của hệ thống treo đến hệ thống lái, nhằm đảm bảo khả năng điều khiển hướng của ô tô khi hoạt động trên đường xấu.

1.1.5 Cấu trúc cơ bản và nguyên lí làm việc của hệ thống lái

1.1.5.1 Cấu trúc cơ bản của hệ thống lái trên ô tô

Hình 1.1:Cấu trúc cơ bản của hệ thống lái

Cấu tạo cơ bản của hệ thống lái bao gồm các phần chính: vành lái, cơ cấu lái và dẫn động lái được thể hiện trên hình.

a)     Vành lái

     Vành lái có dạng vành tròn, có nhiệm vụ tiếp nhận lực tác động của người lái và truyền vào hệ thống lái.

b)     Trục lái

Trục lái thường có dạng ống, nó đảm nhận việc truyền mômen từ vô lăng tới cơ cấu lái. Trục lái gồm có trục lái chính có thể truyền chuyển động quay của vô lăng xuống cơ cấu lái và ống trục lái để cố định trục lái vào thân xe. Trục lái kết hợp với một cơ cấu hấp thụ va đập. Cơ cấu này hấp thụ lực dọc trục tác dụng lên người lái khi có va đập mạnh hoặc khi tai nạn xảy ra.

Trục lái thường có hai loại: Loại trục lái có thể thay đổi được góc nghiêng và loại trục lái không thay đổi được góc nghiêng.

c)     Cơ cấu lái

Cơ cấu lái là bộ phận cơ bản trong hệ thống lái, nó có nhiệm vụ biến chuyển động quay vòng của trục lái thành chuyển động góc của đòn quay đứng và đảm bảo tỉ số truyền theo yêu cầu.

Về bản chất, cơ cấu lái là hộp giảm tốc và có nhiệm vụ tăng mômen truyền từ vô lăng tới các bánh xe dẫn hướng. Các thông số đặc trưng cho cơ cấu lái gồm tỷ số truyền, hiệu suất thuận, hiệu suất nghịch

vTỷ số truyền cơ cấu lái

 Tỷ số truyền cơ cấu lái i_c là tỷ số giữa góc quay của bánh lái và góc quay của đòn quay đứng.

Tỷ số truyền của cơ cấu lái đảm bảo tăng mômen từ vành lái đến các bánh xe dẫn hướng. Tỷ số truyền lớn sẽ giảm lực đánh lái nhưng người lái phải quay vô lăng nhiều hơn khi quay vòng.

Tỷ số truyền cơ cấu lái được định nghĩa theo công thức như sau:

  trong đó:

-       : Là góc quay của vô lăng

     -    : Là góc quay của trục đòn quay đứng

Tỷ số truyền cơ cấu lái có thể không đổi hoặc thay đổi. Tỷ số truyền của cơ cấu lái thường bằng 18 đến 20 đối với xe con và bằng từ 21 đến 25 đối với xe tải.

vHiệu suất cơ cấu lái

           Trong cơ cấu lái người ta phân biệt 2 hiệu suất thuận và nghịch:

• Hiệu suất thuận: là hiệu suất tính theo lực truyền từ vô lăng tới bánh xe. Hiệu suất này càng lớn thì tổn hao năng lượng điều khiển càng nhỏ, nghĩa là lái càng nhẹ hơn.
• Hiệu suất nghịch: là hiệu suất tính theo lực truyền từ bánh xe lên vô lăng, vì vậy khi thiết kế cơ cấu lái nên chọn hiệu suất nghịch nhỏ để giảm bớt lực truyền từ mặt đường lên vô lăng.

          Như vậy, với hiệu suất nghịch nhỏ, các lực va đập từ mặt đường truyền ngược lên vô lăng giảm đi đáng kể. Đây là một ưu điểm của cơ cấu lái cần được tận dụng tối đa. Tuy nhiên, nếu chọn hiệu suất nghịch quá bé thì vô lăng sẽ mất khả năng tự trở về vị trí trung gian nhờ các mô men ổn định. Bởi vậy trong khi thiết kế nên chọn hiệu suất nghịch ở mức độ hợp lý.

vCác dạng cơ cấu lái thông dụng

Hiện nay trên ô tô thường sử dụng các loại cơ cấu lái như:

+ Loại trục vít glôbôit – con lăn.

+ Loại trục vít ê cu bi – thanh răng – cung răng.

+ Loại bánh răng – thanh răng.

Ngoài ra còn có cơ cấu lái: trục vít – chốt quay, bánh răng – cung răng…

d)     Dẫn động lái

Dẫn động lái gồm những chi tiết truyền lực từ cơ cấu lái đến ngõng quay của bánh xe.

vQuan hệ hình học ACKERMAN

Hình 1.2: Quan hệ hình học của ACKERMAN

Để thực hiện quay vòng đúng thì các bánh xe dẫn hướng phải quay theo các góc khác nhau và quan hệ hình học được xác định theo biểu thức sau:       

Trong đó :     -  L: Chiều dài cơ sở của xe.

            -  B₀: Khoảng cách của hai đường tâm trụ quay đứng.

            -  α, β: Góc quay của bánh xe dẫn hướng phía ngoài và phía trong.  

Để đảm bảo điểu kiện trên, trên xe sử dụng cơ cấu hình thang lái 4 khâu gọi là hình thang lái Đantô. Hình thang lái Đantô chỉ áp dụng gần đúng điều kiện trên, song do kết cấu đơn giản nên được dùng rất phổ biến. Mỗi một chủng loại xe, có kích thước và vị trí đòn của cơ cấu 4 khâu sao cho sai lệch trong quan hệ  hình học của cơ cấu lái 4 khâu với quan hệ hình học ACKERMAN chỉ nằm ở góc quay bánh xe dẫn hướng lớn. Giá trị sai lệch so với lý thuyết từ 0⁰30^’ đến 1⁰ khi bánh xe dẫn hướng ở vùng quay vòng gấp.

1.1.5.2 Nguyên lí làm việc của hệ thống lái

 Khi xe chuyển động thẳng, vành lái nằm ổn định ở vị trí trung gian, các cơ cấu được bố trí để các bánh xe dẫn hướng nằm ở vị trí đi thẳng theo phương chuyển động của ô tô.

Khi ta quay vành lái sang bên phải: thông qua trục lái và cơ cấu lái, đầu đòn quay đứng chuyển về phía sau, qua đòn kéo dọc làm quay đòn quay ngang và ngõng trục, kéo bánh xe dẫn hướng bên trái sang bên phải. Đồng thời dưới tác dụng của hình thang lái làm bánh xe bên phải cũng quay theo. Ô tô quay vòng sang bên phải.

Khi ta quay vành lái sang bên trái: Thông qua vành lái và cơ cấu lái, đầu đòn quay đứng dịch chuyển về phía trước, tương tự như trên các bánh xe dẫn hướng dịch chuyển sang trái.

1.1.6 Góc đặt bánh xe dẫn hướng

         Ô tô có thể chuyển động mọi hướng bằng sự tác động của người lái quanh vô lăng. Tuy nhiên, nếu ôtô ở trạng thái đi thẳng mà người lái vẫn phải tác động liên tục lên vô lăng để giữ xe ở trạng thái chạy thẳng, hay người lái phải tác dụng một lực lớn để quay  vòng xe thì sẽ gây sự  mệt mỏi và căng thẳng về cả cơ bắp lẫn tinh thần khi điều khiển xe. Đó là điều không mong muốn, vì vậy để khắc phục được các vấn đề nêu trên thì các bánh xe được lắp vào thân xe với các góc nhất định tuỳ theo yêu cầu nhất định đối với từng loại xe và tính  năng sử dụng của từng loại. Những góc này được gọi chung là góc đặt bánh xe. 

 Việc điều khiển xe sẽ trở lên dễ dàng hơn nếu các bánh xe được đặt theo một góc  chính xác theo yêu cầu thiết kế . Các góc đặt bánh xe đúng sẽ ngăn cản việc mài mòn lốp. Nếu như các góc đặt bánh xe không đúng thì có thể dẫn đến các hiện tượng sau:   

+ Khó lái.

+ Tính ổn định lái kém.

+ Trả lái trên đường vòng kém.

+ Tuổi thọ lốp giảm (mòn nhanh).

Góc  đặt bánh xe  gồm các  góc  sau :

    + Góc nghiêng ngang của bánh xe (Góc Camber).

    + Góc nghiêng dọc của trụ đứng và chế độ lệch dọc (Góc Castervà khoảng Caster).

    + Góc nghiêng ngang  trụ  đứng (Góc Kingpin).

    + Góc doãng (Độ chụm và độ mở).

1.1.6.1  Góc nghiêng ngang của bánh xe (Camber)

Góc tạo bởi đường tâm của bánh xe dẫn hướng ở vị trí thẳng đứng với đường tâm của bánh xe ở vị trí nghiêng được gọi là góc camber, và đo bằng độ. Khi bánh xe dẫn hướng nghiêng ra ngoài thì gọi là góc “camber dương”, và ngược lại gọi là góc “camber âm”. Bánh xe không nghiêng thì camber bằng không (bánh xe thẳng đứng ).

Hình 1.3:Góc nghiêng ngang bánh xe.

• Chức năng của góc nghiêng ngang bánh xe:
• Góc camber ngăn ngừa khả năng bánh xe bị nghiêng theo chiều ngược lại  dưới tác động của trọng lượng xe do các khe hở và sự biến dạng trong các chi tiết của trục trước và hệ thống treo trước. Đồng thời giảm cánh tay đòn của phản lực tiếp tuyến với trục trụ đứng, để làm giảm mômen tác dụng lên dẫn động lái và giảm lực lên vành tay lái.
• Khi chuyển động trên đường vòng, do tác dụng của lực ly tâm thân xe nghiêng theo hướng quay vòng, các bánh xe ngoài nghiêng vào trong, các bánh xe trong nghiêng ra ngoài so với thân xe. Để các bánh xe lăn gần vuông góc với mặt đường để tiếp nhận lực bên tốt hơn, trên xe có tốc độ cao, hệ treo độc lập thì góc camber thường âm.

1.1.6.2.  Góc nghiêng dọc của trụ đứng ( Caster và khoảng caster )

Hình 1.4:Góc nghiêng dọc của trụ đứng

      Góc nghiêng dọc của trụ đứng là sự nghiêng về phía trước hoặc phía sau của trụ đứng. Nó được đo bằng độ, và được xác định bằng góc giữa trụ xoay đứng và  phương thẳng đứng khi nhìn từ cạnh xe. Nếu trụ xoay đứng nghiêng về phía sau thì gọi là góc nghiêng dương và ngược lại gọi là góc nghiêng âm.

       Khoảng cách từ giao điểm của đường tâm trục đứng với mặt đất đến đường tâm  vùng tiếp xúc giữa lốp và mặt đường được gọi là khoảng Caster c.

• Tác dụng của  góc Caster :

    Hồi vị bánh xe do khoảng Caster:Dưới tác dụng của lực ly tâm khi bánh xe vào đường vòng hoặc lực do gió bên hoặc thành phần của trọng lượng xe khi xe đi vào đường nghiêng, ở khu vực tiếp xúc của bánh xe với mặt đường sẽ xuất hiện các phản lực bên Y_b.

 Khi trụ quay đứng được đặt nghiêng về phía sau một góc nào đó so với chiều tiến của xe (Caster dương ) thì phản lực bên Y_b của đường sẽ tạo với tâm tiếp xúc  một mô men ổn định, mô men đó được xác định bằng công thức sau:

M = Y_b.c

Mômen này có xu hướng làm bánh xe trở lại vị trí trung gian ban đầu khi nó bị lệch khỏi vị trí này. Nhưng khi quay vòng người lái phải tạo ra một lực để khắc phục mô men này. Vì vậy, góc Caster thường không lớn. Mômen này phụ thuộc vào góc quay vòng của bánh xe dẫn hướng. Đối với các xe hiện đại thì trị số của góc Caster bằng khoảng từ  0⁰ đến 3⁰.

1.1.6.3. Góc nghiêng ngang trụ đứng ( Kingpin )

    Góc nghiêng ngang của trụ đứng được xác định trên mặt cắt ngang của xe. Góc Kingpin được tạo nên bởi hình chiếu của đường tâm trụ đứng trên mặt cắt ngang đó và phương thẳng đứng.

Hình 1.5:Góc nghiêng ngang của trụ đứng

• Tác dụng của góc Kingpin:

      Giảm lực đánh lái: Khi bánh xe quay sang phải hoặc quay quanh trụ đứng  với khoảng lệch tâm là bán kính r₀, r₀ là bán kính quay của bánh xe quay quanh trụ đứng, nó là khoảng cách đo trên bề mặt của đường cong mặt phẳng nằm ngang của bánh xe giữa đường kéo dài đường tâm trụ quay đứng với tâm của vết tiếp xúc của bánh xe với mặt đường. Nếu r₀ lớn sẽ sinh ra mô men lớn quanh trụ quay đứng do sự cản lăn của lốp, vì vậy làm tăng lực đánh lái. Do vậy giá trị của r₀ có thể được giảm để giảm lực đánh lái, phương pháp để giảm r₀ là tạo camber dương và làm nghiêng trụ quay đứng tức là tạo góc Kingpin.

 Giảm sự đẩy ngược và kéo lệch sang một phía, nếu khoảng cách lệch r₀ quá lớn, phản lực tác dụng lên các bánh xe khi chuyển động thẳng hay khi phanh sẽ sinh ra một mômen quay quanh trụ đứng, do vậy sẽ làm các bánh xe bị kéo sang một phía có phản lực lớn hơn. Các va đập từ mặt đường tác dụng lên các bánh xe làm cho vô lăng dao động mạnh và bị đẩy ngược.

 Cải thiện tính ổn định khi chạy thẳng: Góc Kingpin sẽ làm cho các bánh xe tự động quay về vị trí chạy thẳng sau khi quay vòng. Tức là khi quay vòng, quay vô lăng để quay vòng xe, người lái phải tăng lực đánh lái, nếu bỏ lực tác dụng lên vô lăng thì bánh xe tự trả về vị trí trung gian (vị tri đi thẳng ). Để giữ  cho xe quay vòng thì cần thiết phải giữ vành lái với một lực nhất định nào đó. Vấn đề trở về vị trí thẳng sau khi quay vòng là do có mômen phản lực (gọi là mômen ngược) tác dụng từ mặt đường lên bánh xe. Giá trị của mômen ngược phụ thuộc vào độ lớn của góc Kingpin.

1.1.6.4 Góc doãng (độ chụm và độ mở)

Hình 1.6:Góc doãng

Thông thường độ chụm được biểu diễn bằng khoảng cách B-A. Kích thước B, A được đo ở mép ngoài của vành lốp ở trạng thái không tải khi xe đi thẳng. Độ chụm là dương nếu B – A > 0, là âm nếu B – A < 0.

Độ chụm có ảnh hưởng lớn tới sự mài mòn của lốp và ổn định của vành tay lái. Sự mài mòn lốp xảy ra là nhỏ nhất trong trường hợp hai bánh xe lăn phẳng hoàn toàn.

      Quá trình lăn của bánh xe gắn liền với sự xuất hiện lực cản lăn P_f ngược chiều chuyển động đặt tại chỗ tiếp xúc của bánh xe với mặt đường. Lực P_f này đặt cách trụ quay đứng một đoạn R₀ và tạo nên một mômen quay với tâm trụ quay đứng . Mômen này tác dụng vào hai bánh xe và ép hai bánh xe về phía sau. Để lăn phẳng thì các bánh xe đặt với độ chụm  = B - A  dương. Với  như thế  thì tạo lên sự ổn định chuyển động thẳng của xe tức là ổn định vành tay lái.

Ở cầu dẫn hướng, lực kéo cùng chiều với chiều chuyển động sẽ ép bánh xe về phía trước. Bởi vậy  giảm. Trong trường hợp này, để giảm ảnh hưởng của lực cản lăn và lực phanh và đồng thời  giảm tốc độ động cơ đột ngột (phanh bằng động cơ ), thì bố trí các bánh xe với góc đặt  có giá trị nhỏ hơn  hoặc bằng không.

Trên  xe con độ chụm thường có giá trị  từ 24 mm.

1.1.7 Hệ thống lái có trợ lực

1.1.7.1 Công dụng và sự cần thiết của hệ thống trợ lực lái

 Trợ lực của hệ thống lái có tác dụng giảm nhẹ cường độ lao động của người lái. Trên xe có tốc độ cao, trợ lực lái còn nâng cao tính an toàn chuyển động khi xe có sự cố ở bánh xe và giảm va đập truyền từ bánh xe lên vành tay lái. Ngoài ra để cải thiện tính êm dịu chuyển động, phần lớn các xe hiện đại đều dùng lốp bản rộng, áp suất thấp để tăng diện tích tiếp xúc với mặt đường. Kết quả là cần một lực lái lớn hơn.

Vì vậy để giữ cho hệ thống lái nhanh nhạy trong khi chỉ cần lực lái nhỏ, phải có một vài loại thiết bị trợ giúp hệ thống lái gọi là trợ lực lái.

1.1.7.2 Phân loại hệ thống trợ lực lái

Kết cấu trợ lực lái được phân ra làm các loại sau:

+    Trợ lực khí nén.

+    Trợ lực thủy lực.

+    Trợ lực điện.

Trong đó, trợ lực thủy lực ngày nay được sử dụng rộng rãi hơn cả.

1.1.7.3 Các cụm cơ bản và sơ đồ tổng quát của trợ lực lái

Hệ thống trợ lực lái có thể bố trí trong hay ngoài cơ cấu lái và bao gồm:

+   Nguồn cung cấp năng lượng của trợ lực.

+   Van phân phối điều khiển cấp năng lượng.

+   Xi lanh lực cấp năng lượng trợ lực.

Một số sơ đồ hệ thống lái có trợ lực:

Hình 1.7: Các sơ đồ bố trí trợ lực lái

+   Sơ đồ a: Cơ cấu lái, van phân phối và xi lanh lực được đặt chung thành một khối.

+   Sơ đồ b: Cơ cấu lái và van phân phối được đặt chung thành một khối.

+   Sơ đồ c: Van phân phối và xi lang lực được đặt chung thành một khối.

+   Sơ đồ d: Cơ cấu lái và xi lanh lực đươc đặt chung thành một khối.

+   Sơ đồ e: Co cấu lái, van phân phối và xi lanh lực được đặt riêng rẽ.

1.1.7.4 Nguyên lý trợ lực thủy lực

Trợ lực thuỷ lực sử dụng công suất của động cơ để giảm nhẹ lực lái. Động cơ dẫn động bơm tạo ra dầu cao áp tác dụng lên piston nằm trong xy lanh lực. Piston trợ giúp cho việc chuyển động của thanh răng. Mức độ trợ giúp  phụ thuộc  vào độ lớn của áp suất dầu tác dụng lên piston. Vì vậy nếu cần trợ lực lớn hơn thì phải tăng áp suất dầu.

a)     Vị trí trung gian (khi xe chuyển động thẳng)

Dầu từ bơm được đẩy lên van điều khiển. Nếu van ở vị trí trung gian, tất cả dầu sẽ chảy qua van vào cửa xả và hồi về bơm. Vì áp suất dầu bên trái và bên phải piston là như nhau nên piston không chuyển động về hướng nào.

Hình 1.8:  Sơ đồ nguyên lý trợ lực lái ở vị trí trung gian

b)     Khi quay vòng

Khi trục lái chính quay theo bất kỳ hướng nào, giả sử quay sang phải thì van điều khiển cung di chuyển làm đóng một phần cửa dầu, còn cửa kia mở rộng hơn. Vì vậy làm thay đổi lượng dầu vào các cửa, cùng lúc đó áp suất dầu được tạo ra. Như vậy tạo ra sự trênh lệch áp suất giữa hai khoang trái và phải của piston. Sự trênh lệch áp suất đó làm piston dịch chuyển về phía có áp suất thấp, dầu bên áp suất thấp sẽ được đẩy qua van điều khiển về bơm.

Hình 1.9:  Sơ đồ nguyên lý trợ lực lái khi quay vòng.

1.2 Phân tích và lựa chọn phương án thiết kế

1.2.1 Phân tích lựa chọn phương án thiết kế cơ cấu lái

1.2.1.1 Bánh răng – thanh răng

Hình 1.10:Cơ cấu lái bánh răng – thanh răng

Cơ cấu lái đặt trên vỏ xe để tạo góc ăn khớp lớn cho bộ truyền răng nghiêng, trục răng đặt nghiêng ngược chiều với chiều nghiêng của thanh răng, nhờ vậy sự ăn khớp của bộ truyền lớn, do đó làm việc êm và phù hợp với việc bố trí vành lái trên xe.

 Cơ cấu lái  kiểu bánh răng- thanh răng có các ưu điểm sau:

+   Cơ cấu lái đơn giản gọn nhẹ. Do cơ cấu lái nhỏ và bản thân thanh răng  tác               dụng như thanh dẫn động lái nên không cần các đòn kéo ngang như các cơ cấu lái khác.

+    Có độ nhạy cao vì ăn khớp giữa các răng là trực tiếp.

+   Sức cản trượt, cản lăn nhỏ và truyền mô men rất tốt nên tay lái nhẹ.

+   Có khả năng tự động triệt tiêu khe hở tại chỗ ăn khớp. Tỉ số truyền thuân và nghịch bằng nhau và bằng 0,8 đến 0,9.

1.2.1.2 Trục vít globôit – con lăn

 

Hình 1.11:Cơ cấu lái trục vít globoit – con lăn

Ưu điểm:

+   Nhờ trục vít có dạng glôbôit cho nên tuy chiều dài trục vít không lớn nhưng sự tiếp xúc các răng ăn khớp được lâu hơn và trên diện rộng hơn, nghĩa là giảm được áp suất riêng và tăng độ chống mài mòn.

+   Tải trọng tác dụng lên chi tiết tiếp xúc được phân tán tùy theo cỡ ôtô mà làm con lăn có hai đến bốn vòng ren.

+    Mất mát do ma sát ít hơn nhờ thay được ma sát trượt bằng ma sát lăn.

+    Có khả năng điều chỉnh khe hở ăn khớp giữa các bánh răng

1.2.1.3 Trục vít ê cu bi – thanh răng -  cung răng

Ưu điểm:  Do ăn khớp trên toàn bộ chiều dài của cung răng nên áp suất trên răng bé, giảm được ứng suất tiếp xúc và hao mòn.

Nhược điểm: Tuy nhiên loại này có nhược điểm là có hiệu suất thấp.

 

1.2.2 Phân tích lựa chọn phương án thiết kế dẫn động lái

Phần tử cơ bản của dẫn động lái là hình thang lái, nó được tạo bởi cầu trước, đòn kéo ngang và các đòn kéo bên. Sự quay vòng của ôtô rất phức tạp,để đảm bảo mối quan hệ động học của các bánh xe phía trong và phía ngoài khi quay vòng là một điều khó thực hiện. Hiện nay người ta chỉ đáp ứng gần đúng mối quan hệ động học đó bằng hệ thống khâu khớp và đòn kéo tạo nên hình thang lái.

1.2.2.1 Dẫn động lái với hình thang lái 4 khâu

         Ưu điểm: Kết cấu đơn giản, đáp ứng gần đúng quan hệ lý thuyết.

         Nhược điểm: Phạm vi sử dụng hạn chế. Được sử dụng trên ô tô có dầm cầu liền với 2 phương pháp bố trí đòn ngang là đòn ngang liên kết nằm sau dầm cầu và nằm trước dầm cầu. Dùng với hệ thống treo phụ thuộc.

1.2.2.2. Dẫn động lái với hình thang lái 6 khâu

         Số lượng đòn và khâu khớp tăng lên nhằm đảm bảo các bánh xe chuyển động độc lập.

Kết luận: Trên ô tô với hệ thống treo trước độc lập và cơ cấu loại bánh răng - thanh răng  thì có thể kết hợp thanh răng làm luôn chức năng của thanh lái ngang trong hình thang lái. Với phương án dẫn động lái 6 khâu cho hệ thống treo độc lập đã đáp ứng gần đúng mối quan hệ động học của các bánh xe phía trong và phía ngoài khi quay vòng.

Hình 1.14: Sơ đồ dẫn động lái.

1.2.3 Phân tích lựa chọn phương án trợ lực lái

1.2.3.1 Trợ lực điện

         Ưu điểm: Hệ thống cho phép có khả năng xử lí rộng rãi nhiều thông tin liên quan tới khả năng quay vòng của ô tô, hoàn thiện chất lượng điều khiển và quay vòng.

         Nhược điểm: Hệ thống với nhiều cảm biến phức tạp, các trương trình điều khiển mô tơ DC, bộ kiểm soát tốc độ. Dẫn đến giá thành cao.

1.2.3.2. Trợ lực khí nén

          Trợ lực khí nén sử dụng năng lượng trợ lực là khí nén trên ô tô. Nguồn khí nén trên xe có áp suất tối đa là 10 bar. Do đó kích thước xi lanh lực và van điều khiển thường lớn, khó bố trí trên xe. Do vậy, hiện nay hệ thống trợ lực bằng khí nén ít được sử dụng.

1.2.3.3. Trợ lực thủy lực

Cơ cấu lái, van phân phối, xi lanh lực bố trí trên cùng một khối.

          Ưu điểm: Có cấu tạo khá đơn giản, tác động nhanh, hiệu suất cao. Với công nghệ chế tạo hiện đại cho phép thiết kế được những bộ trợ lực thủy lực có kết cấu nhỏ gọn. Nên được sử dụng nhiều trên xe con và xe du lịch.

          Nhược điểm: Có nhiều chỗ tiếp xúc cơ khí dẫn đến mài mòn.

Kết luận: Chọn hệ thống lái có cơ cấu lái kiểu bánh răng-thanh răng, dẫn động lái với hình thang lai 6 khâu, trợ lực lái thủy lực.

Hình 1.15: Tổng quan về phương án thiết kế

 

 

 

CHƯƠNG II

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG LÁI

2.1 Các số liệu thiết kế

          Xe con 5 chỗ: 

Chiều rộng xe	B	1780 mm
Khoảng cách giữa 2 trụ quay đứng	B0	1540 mm
Chiều dài cơ sở của xe	L	2700 mm
Chiều dài toàn bộ xe	L0	4560 mm
Trọng lượng không tải	G0	11920 N
Trọng lượng toàn tải	G	17400 N
Trọng lượng tác dụng lên cầu dẫn hướng	G1	8700 N
Trọng lượng tác dụng lên một bánh dẫn hướng	Gbx	4350 N
Ký hiệu lốp		185/60R15

 

Thông số hệ thống lái.

Chiều dài đòn bên hình thang lái                     m = 180 (mm)

Khoảng cách giữa đòn ngang và trụ trước        l = 230 (mm)

Chiều dài thanh nối bên hình thang lái             p = 280 (mm)

 2.2  Tính toán động học hệ thống lái

 2.2.1  Tính momen cản quay vòng lớn nhất

Mômen cản quay vòng lớn nhất ở các bánh xe dẫn hướng được xác định ở trạng thái xe quay vòng và chở đủ tải. Mômen cản quay vòng bao gồm momen cản do lực cản lăn, momen cản do lực ma sát giữa bánh xe và mặt đường, momen ổn định.

Ta có công thức tính momen cản quay vòng:

M_C = M₁ + M₂ + M₃

v  Mô men cản quay vòng gây nên do lực cản lăn:

M₁ = G_bx. f.a

            Trong đó:

                             - G_bx = 4350 (N)

      - a: Cánh tay đòn của lực P_f  quay xung quanh trụ đứng.

        Với xe thiết kết xe loại này, chọn a = 45 (mm) = 0.045 (m)

      - f: Hệ số cản lăn xét cho trường hợp ô tô chạy trên đường nhựa             và khô, f = 0.02.

Hình 2.1:  Sơ đồ trụ đứng nghiêng trong mặt phẳng ngang

vGiá trị mômen do lực ngang Y gây lên M₂ được tính cho một bánh xe, phản lực bên lùi sau một đoạn x. Do lốp có tính đàn hồi nên lực Y làm vết tiếp xúc bị lệch đi so với trục bánh xe và vì vậy lực này nằm cách trục bánh xe một đoan x. Như vậy momen ma sát giữa bánh xe và mặt đường được tính như sau:

M₂ = Y.x

• x là khoảng cách từ tâm vết tiếp xúc với hợp lực ma sát:

                              Với: r là bán kính tự do của bánh xe dẫn hướng:

  (mm)

 Với bánh xe có ký hiệu185/60 R15, ta tính được:

 (m)

• r_bx là bán kính làm việc trung bình của bánh xe, và được xác định theo công thức:    

Thay vào , ta được:  x = 0,14r

• Lực ngang Y có giá trị bằng lực ngang cực đại: Y = G_bx.j

                             Với j=  0,85: Hệ số bám giữa bánh xe và mặt đường

 

Do đó:                 M₂ = Y. x = 0,14.r.G_bx.j

Hình 2.2:Điểm đặt lực ngang tác dụng lên bánh xe khi quay vòng

v  Mômen ổn định M₃ do các góc đặt bánh xe và trụ đứng gây nên, việc tính toán momen này tương đối phức tạp , nên trong khi tính toán có thể thay thế M₃ bằng một hệ số  Khi đó momen cản quay vòng tại 1 bánh xe dẫn hướng được tính như sau:

Giá trị  theo kinh nghiệm 1,071,15.  Chọn  = 1,1

          Mômen cản tổng cộng trên cầu trước dẫn hướng được tính toán theo công thức sau:

M_c = M₁ + M₂ + M₃ = 2G_bx (f.a + 0,14.j_.r)

                 = 0,50,7  hiệu suất tính đến tổn hao ma sát, chọn = 0,6

Thay số vào ta có:                       M_c = 603 (Nm)

2.2.2 Tỷ số truyền của hệ thống lái

2.2.2.1 Tỷ số truyền của dẫn động lái i_d

Tỷ số truyền của dẫn động lái phụ thuộc vào kích thước và quan hệ của các cánh tay đòn. Nó phụ thuộc vào kết cấu cụ thể nhưng thường không lớn ( i_d = 0,85-1,1).

    Chọn sơ bộ i_d = 1 (cho cầu dẫn hướng).

2.2.2.2 Tỉ số truyền của cơ cấu lái i_c

Ta có công thức: ’_max=_max.i 

            Trong đó: