đề tài tính toán thiết kế hệ thống lái ô tô

Tổng quan về hệ thống lái 1.1 Công dụng và phân loạiDựa vào yêu cầu tối thiểu về sự an toàn của xe và hàng thì hệ thống lái phải có các yêu cầu sau: - Đảm bảo tính năng vận hành cao của

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU

Kể từ khi ra đời đến nay ngành cơ khí động lực không ngừng phát triển và đạt được

thành tựu to lớn

Ngày nay với sự phát triển của nền khoa học kỹ thuật, ngành công nghiệp ôtô đã chế tạo

ra nhiều loại ôtô với hệ thống lái có tính năng kỹ thuật rất cao để đảm bảo vấn đề an toàn và tính

cơ động của ô tô

Trong tập đồ án môn học này em được nhận đề tài “Tính toán Thiết kế hệ thống lái ô tô” Nội dung của đề tài này giúp em hệ thống được những kiến thức đã học, nâng cao tìm hiểu các hệ thống của ôtô từ cổ điển đến hiện đại, từ đây có thể đi sâu nghiên cứu về chuyên môn

Được sự hướng dẫn rất tận tình của thầy giáo Vũ Văn Định, cùng với sự nổ lực của bản thân, em đã hoàn thành nhiệm vụ của đề tài này Vì thời gian và kiến thức có hạn nên trong tập

đồ án này không thể tránh khỏi những sai sót nhất định Vì vậy em mong các thầy, trong bộ mônđóng góp ý kiến để đề tài của em được hoàn thiện hơn

TP.HCM , ngày tháng năm 2021

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Hoàng Sơn

Phần 1 Tổng quan về hệ thống lái 1.1 Công dụng và phân loại

Dựa vào yêu cầu tối thiểu về sự an toàn của xe và hàng thì hệ thống lái phải có các yêu cầu sau:

- Đảm bảo tính năng vận hành cao của ôtô có nghĩa là khả năng quay vòng

nhanh và ngặt trong một thời gian rất ngắn trên một diện tích rất bé

- Lực tác động lên vành lái nhẹ, vành lái nằm ở vị trí tiện lợi đối với người lái

- Đảm bảo được động học quay vòng đúng để các bánh xe không bị trượt lết khi quay vòng

- Hệ thống trợ lực phải chính xác, tính chất tuỳ động đảm bảo phối hợp chặt chẽ giữa sự tác động của hệ thống lái và sự quay vòng của bánh xe dẫn hướng

- Đảm bảo quan hệ tuyến tính giữa góc quay vành lái và góc quay bánh xe dẫn hướng

- Cơ cấu lái phải được đặt ở phần được treo để kết cấu hệ thống treo trước không ảnh hưởng đến động học cơ cấu lái

- Hệ thống lái phải bố trí sao cho thuận tiện trong việc bảo dưỡng và sửa chữa

1.2 Phân loại

1.2.1 Theo cách bố trí vành tay lái

- Hệ thống lái với vành lái bố trí bên trái (khi chiều thuận đi đường là chiều phải như ở các nước

xã hội chủ nghĩa…)

- Hệ thống lái với vành lái bố trí bên phải (khi chiều thuận đi đường là chiều trái như ở Anh, Nhật, Thụy Điển…).

1.2.2 Theo kết cấu của cơ cấu lái

- Trục vít – cung răng

- Trục vít – con lăn

- Bánh răng – thanh răng

- Trục vít – chốt quay

- Liên hợp (Trục vít - êcu - đòn quay hay trục vít - êcu - thanh răng - cung răng)

1.2.3 Theo kết cấu và nguyên lý làm việc của bộ trợ lực

Trên một số ô tô tải có trọng tải nhỏ, ô tô du lịch có công suất lít trung bình và nhỏ không bố trí

trợ lực lái, cấu tạo hệ thống lái gồm: cơ cấu lái, dẫn động lái

8 5 4 3 2

Hình 1-1: Cấu tạo chung hệ thống lái không có trợ lực.

1-Vành tay lái; 2- trục lái; 3-cơ cấu lái; 4-đòn quay đứng; 5-thanh kéo dọc;

6-đòn quay ngang; 7- cam quay; 8- hình thang lái; 9-Trụ đứng; 10-dầm cầu

Hệ thống lái không sử dụng trợ lực về mặt cấu tạo thì đơn giản hơn hệ thống lái có bố trí trợ lực, thường sử dụng cơ cấu lái loại trục vít- con lăn

1.2.5.2 Hệ thống lái có trợ lực:

Đối với ôtô tải có trọng tải lớn, xe khách loại vừa và lớn thì lực tác dụng lên vành tay lái rất lớn, để làm giảm nhẹ lực tác dụng lên vành tay lái, khi điều khiển hệ thống lái bố trí thêm trợ lực lái, hiện nay để tăng tính an toàn cho ôtô chuyển động ở tốc độ cao thì cả trên các loại ô tô con cũng được bố trí trợ lực

Hình 1-2: Hệ thống lái có trợ lực xy lanh lực bố trí trên hình thang lái;

van phân phối bố trí tại cơ cấu lái dùng trên các ô tô con

Phần 2 Tính toán và phân phối tỷ số truyền

Sau khi phân tích đặc điểm chính các cơ cấu lái với xe ô tô con thì ta nên chọn cơ cấu lái loại thanh răng - bánh răng Trong cơ cấu lái thanh răng-bánh răng biến chuyển động xoay tròn của bánh răng thành chuyển động tịnh tiến của thanh răng

Trong đó: M C: Mô men cản quay vòng của bánh xe

C: Cánh tay đòn quay vòng, tức là khoảng cách từ tâm mặt tựa của lốp đến trụ đứng kéo dài, đối với ô tô con từ (30-60) mm

M1: Mô men lái đặt trên vành tay lái;

r M

Lựa chọn phương án thiết kế

Thông qua những phân tích ở trên và tìm hiểu thực tế về xe Innova em xin được chọn phương án thiết kế hệ thống lái kiểu thanh răng - bánh răng, trợ lực lái là trợ lực lái thủy lực Ta

có sơ đồ bố trí chung của hệ thống lái cần thiết kế như sau:

1; Đai ốc hãm; 2 Khớp cầu; 3 Đòm quay đứng; 4 Đai ốc dầu; 5 Đường dầu từ bơm đến; 6 Đường dầu hồi về bình chứa; 7 Hộp lái; 8 Vô lăng; 9 Trục lái; 10 Trục cácđăng; 11 Khớp các đăng; 12 Đai ốc định vị trục van điều khiển; 13O; 14 Gân tăng cứng; 15 Đường dầu nối giữa khoang phải xy lanh với van xoay; 16 Đường dầu nối giữa khoang trái xy lanh với van xoay; 17.Xy lanh trợ lực; 18 Đai ốc dầu; 19.Thanh kéo ngang; 20 Thanh kéo bên; 21 Đai ốc hãm;

22 Bánh xe dẫn hướng; 23 Puly; 24 Bơm; 25 Bình chứa dầu; 26 Đai ốc dầu

Các thông số cho trước

Xe con

Ký hiệu lốp : 6.5 - 16

Trọng lượng phân cho cầu trước : G1= 9400 N

Trọng lượng phân cho cầu sau : G 2= 12350 N

Chiều dài cơ sở : L = 2300 m m

Khoảng cách giữa 2 tâm trụ đứng trong mặt phẳng chứa hình thang lái B = 1440 mm

Bán kính quay vòng nhỏ nhất của bánh xe ngoài phía trước R ngmin= 6,0 m

Loại cơ cấu lái : Thanh răng – bánh răng

Loại hệ thống treo : Độc lập MC Pherson

2.1 Tính toán và phân phối tỉ số truyền

- Góc quay lớn nhất của các bánh xe dẫn hướng quanh trụ đứng:

2 min

ng

L arctg

• Rng min: Bán kính quay vòng nhỏ nhất của bánh xe ngoài phía trước

• a: Khoảng cách từ tâm trụ đứng đến tâm lốp của một bánh xe trước (a =50mm)

• L: Chiều dài cơ sở của ô tô, L = 2300 mm

• B: Khoảng cách giữa hai đường tâm trụ đứng, B = 1440 mm

L

i

+

2.2 Xác định lực tác dụng lên vành tay lái.

- Xác định mômen cản quay vòng

Lực tác động lên vành tay lái của ôtô sẽ đạt giá trị cực đại khi ta quay vòng ôtô tại chỗ Lúc đó mômen cản quay vòng trên bánh xe dẫn hướng Mc sẽ bằng tổng số của mômen cản chuyển động M1, mômen cản M2 do sự trượt lết bánh xe trên mặt đường vàmômen cản M3 gây nên bởi sự làm ổn định các bánh xe dẫn hướng

Khi có lực ngang Y tác dụng lên bánh xe thì bề mặt tiếp xúc giữa lốp và đường

sẽ bị lệch đi đối với trục bánh xe Nguyên nhân lệch này là do sự đàn hồi bên của lốp Điểm đặt của lực Y sẽ nằm cách hình chiếu của trục bánh xe một đoạn X về phía sau Đoạn X được thừa nhận bằng nửa khoảng cách của tâm diện tích tiếp xúc đến rìa ngoài

của nó theo công thức sau:

2 2

5

0 r r bx

(3.5)Trong đó:

−r : bán kính tự do của bánh xe

24,52

• ηk- hiệu suất của các khớp thanh kéo Chọn ηk = 0,8;

• ηt- hiệu suất của trụ đứng Chọn ηt = 0,9

Khi đánh lái trong trường hợp ôtô đứng yên tại chỗ thì lực đặt lên vành tay lái để thắng được lựccản quay vòng tác dụng lên bánh xe dẫn hướng là lớn nhất Lực lớn nhất đặt lên vành tay lái được xác định theo công thức:

c d th

C vl

i i R

M P

Mc - mômen cản quay vòng Mc = 254,44 (Nm);

R - bán kính vành lái R = 0,18 (m);

ic - tỷ số truyền cơ cấu lái ic = 19,5;

ηth - hiệu suất thuận của cơ cấu lái ηth = 0,6;

id - tỷ số truyền của truyền động lái id = 1

* Thay vào công thức (3.6):

max

254, 44

120,820,18 19,5 1 0,6

vl

(N)

2.4 Thiết kế hình thang lái.

2.4.1.Các thông số cơ bản của hình thang lái.

Theo lý thuyết quay vòng của các bánh xe dẫn hướng: điều kiện quay vòng lý tưởng để các bánh xe không bị trượt bên là:

Cotgβi - cotgαi = L

(3.1) Trong đó:

βi – góc quay vòng của bánh xe dẫn hướng bên trong (độ);

αi – góc quay vòng của bánh xe dẫn hướng ngoài (độ);

B0 – khoảng cách giữa 2 đường tâm trụ đứng (mm);

L – chiều dài cơ sở của xe (mm)

a) Trường hợp xe đi thẳng

Từ sơ đồ dẫn động lái trên hình 2.2 ta có thể tính được mối quan hệ giữa các thông số theo các biểu thức sau: n B= −2 cosm θ

(2.6)Giá trị sai lệch so với lý thuyết từ

0

0 30'-

0

1khi bánh xe dẫn hướng ở vùng quay thấp

b) Trường hợp xe quay vòng

Khi bánh xe bên trái quay đi một góc α

bên phải quay đi một góc β

, lúc này đòn bên của bánh xe bên phải phải hợp với phương ngang một góc (θ β− )

và bánh xe bên trái là (θ α+ )

B

N L

: Góc quay của bánh xe dẫn hướng bên trong

−L = 2300 mm : Chiều dài cơ sở của xe

−B = 1440 mm : Khoảng cách giữa hai tâm trụ đứng của cầu dẫn hướng

L

− = = = → =

Cho các giá trị θ

xung quanh giá trị sơ bộ (θ =240)

và dựa vào công thức trên để tìm ra quan

θ =

2.5.1 Xác định bán kính vòng lăn của bánh răng

Chọn chiều dài thanh răng dịch chuyển 1 đoạn là X =101mm

Chọn số vòng quay về 1 phía của vành lái ứng với bánh xe quay là n=1,5

2.5.2 Xác định các thông số của bánh răng

- Tính số răn theo tài liệu chi tiết máy:

.cos

n c

m Z D

β

=

(2.9)

Trong đó: D c: đường kính vòng chia D c =2R=2.10,7 21,4= mm

m n: Mô đun pháp tuyến của bánh răng, chọn theo tiêu chuẩn m n =2,5

c n

D Z

Z m D

n t

m m

Như vậy Zmin =14 7>

do vậy có hiện tượng cắt chân răng nên phải dịch chỉnh

+ Chiều cao răng: h=(h'f +h m''f ) = +(1 1,25 2,5 5,625) = mm

+ Chiều cao đỉnh răng: h=( f f' +ϕ)m= +(1 0,429 2,5 3,57) = mm

+ Chiều dày của răng trên vòng chia:

2.5.3 Xác định kích thước và thông số của thanh răng

- Đường kính của thanh răng được cắt tại mặt cắt nguy hiểm nhất: 3 [ ]

0,2

x tr

x

M d

: Momen xoắn gây nên sự nguy hiểm ở thanh răngM x =M c =254,44Nm

Thay vào công thức ta được:

• Chiều dài đoạn làm việc của thanh răng: L=202mm

• Môđun của thanh răng: m=2,5mm

• Bước răng: t =πm=3,14.3,5 7,85= mm

• Chiều cao của thanh răng: h=2,5.m=2,5.2,5 6, 25= mm

• Số răng cần thiết trên thanh răng để khi quay vòng không bị chạm :

202

25,737,85

CT

Chọn số răng trên thanh răng là 26

- Khoảng cách giữa 2 răng liên tiếp của thanh răng:

202

7,7726

L y Z

Phần 3 Tính bền cơ cấu trục răng – thanh răng và trợ lực

Đối với loại truyền động bánh răng trụ – thanh răng phải đảm bảo cho các răng có độ bền cao Xác định lực tác dụng lên bộ truyền bánh răng trụ – thanh răng

901,64

v r

Trong quá trình làm việc bánh răng trụ, thanh răng chịu ứng suất uốn tiếp xúc và chịu tải trọng

va đập từ mặt đường Vì vậy thường gây ra hiện tương rạn nứt chân răng, do đó ảnh hưởng lớn tới sự tin cậy và tuổi thọ của cơ cấu lái Để đảm bảo được những yêu cầu làm việc của cơ cấu láithì vật liệu chế tạo bánh răng trụ thanh răng được dùng là thép XH được tôi cải thiện, có:

[ ] [ ] 1000

.700

HB = 260 ÷ 290

a Ứng suất tiếp xúc cho phép:

- Giới hạn bền mỏi tiếp xúc của bánh răng:

KF - hệ số xét ảnh hưởng của độ độ bôi trơn; KF = 1.

* Thay các thông số vào công thức (3.7) ta được:

[ ]H 0,95 1,1 1 1 560,5MPa

1,1

⇒ [ ]σFL = ×1 0, 7 360 182× =

- Ứng suất uốn cho phép của bánh răng

[ ]σF =σF ×Y R ×Y S ×K XF

(3.9) Trong đó:

YR = 1; KXF = 1;

SF - hệ số an toàn; lấy SF = 1,7;

YS - hệ số xét tới ảnh hưởng của mô đun với m = 5; chọn YS = 1,03

⇒ [ ]σF =182 1, 03 1, 7 318, 7× × = MPa

b Kiểm nghiệm răng về độ bền tiếp xúc:

- Kiểm nghiệm răng về độ bền tiếp xúc theo công thức:

ZM - hệ số xét đến cơ tính của vật liệu ZM = 275 (MPa)1/2 (đối với bánh răng bằng thép);

ZH - hệ số xét đến hình dạng bề mặt tiếp xúc, tính theo công thức:

2 cos 2 cos18

1,72sin(2 ) sin(2 20 )

19

12.388.1cos1

12.3

88

1

2 1

α β

ω ω

H H

H H

K K T

d b K

=

21

Do đó thoả mãn điều kiện tiếp xúc

c Kiểm nghiệm răng về độ bền uốn:

- Ứng suất uốn được tính theo công thức:

1

2 1 2

12

F

F F F

F F F F F

Y Y

m d d

Y K K K Y T

σ

ω ω

β γ β α

(3.11)

- Hệ số dạng răngYF1, YF2 xác định theo đồ thị trên hình 10.21[3] với hệ số dạng răng dịch chỉnh

ξ = 0.647 và số răng tương đương

2,34

,3118cos

27cos

3,347

,1018cos

9cos

1 3

3

2 2

1 3

3

1 1

F td

Y

Z Z

Y

Z Z





ββ

F F

F F

K K T

d b K

=

21

- Hệ số:

87,0140

181140

σ σ

Đảm bảo bộ truyền bánh răng trụ thanh răng đủ bền trong quá trình làm việc

Pvl – lực cực đại tác dụng lên vành tay lái Pvl = 120,82 (N);

x

(N/mm2) Với vật liệu chế tạo trục lái là thép nhiệt luyện có ứng suất xoắn cho phép là:[ ]τx =80N/mm2

(3.13)

Trong đó:

213,6

mm

τ =

L - chiều dài trục lái L = 400 mm = 0,4 m;

G - mô đun đàn hồi dịch chuyển G = 8×

104 N/mm2

* Thay các giá trị vào công thức(3.13):

3 4

3

06,8.10 1000 180 1,59

400 3,14

×

Suy ra: ϕ <[ ]ϕ , vậy trục lái đảm bảo góc xoắn tương đối Như vậy trục lái đảm bảo yêu

cầu kỹ thuật

3.3 Thiết kế trợ lực lái

3.3.1 Xác định các thông số cơ bản của trợ lực lái

Công trung bình của người lái để quay vòng ô tô được xác định:

.180

Đối với xe thiết kế ta chọn P0 =30N

Từ đó ta tính được momen cần thiết để cường hóa là:

: Hiệu suất vành tay lái tới van xoắn (Hiệu suất truyền lực) chọn bằng 1

Vậy momen cần thiết để bắt đầu mở trợ lực là: 0

c VLMax

VL VL

P H P

= = =

3.3.4 Xác định đường kính trong của xilanh lực

Đường kính trong của xi lanh trợ lực được tính theo công thức: max

4

x xl

π

= + =

3.3.5 Chọn đường kính ngoài và kiểm tra bền xilanh lực

Chọn chiều dày của thành xi lanh là 6 mm thì đường kính ngoài của xi lanh lực là:

Sau một thời gian tập trung nghiên cứu tài liệu, khảo sát, tính toán, tìm hiểu thực tế tại

xe, với sự chủ động, nỗ lực cố gắng của bản thân, cộng với sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy

trong Bộ môn ô tô quân sự cùng các bạn đồng nghiệp, em đã hoàn thành bản TKMH: “Thiết kế tính toán hệ thống lái ô tô”, đủ khối lượng, đúng tiến độ và thời gian.

Trong quá trình thực hiện đồ án em đã đi sâu vào bốn nội dung chính, tương ứng với bốn phần thuyết minh:

Phần 1: Tổng quan về hệ thống lái

Phần 2: Tính toán và phân phối tỉ số truyền

Phần 3: Tính bề cơ cấu trục răng – thanh răng và trợ lực lái

Vì điều kiện thời gian có hạn, trình độ và kinh nghiệm còn bị hạn chế, cho nên chất lượng TKMH còn hạn chế, còn nhiều thiếu sót trong phần tính toán và kết cấu có thể chưa hợp lý Rất

mong sự đóng góp ý kiến của các thầy để đồ án của em được hoàn chỉnh hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hoàng Sơn

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Nguyễn Hữu Cẩn, Dư Quốc Thịnh, Lý thuyết ô tô máy kéo,

NXB KHKT, 1996

[2] Nguyễn Hữu Cẩn, Phạm Đình Kiên, Thiết kế và tính toán ô tô máy kéo,

NXB ĐH&THCN, 1971

[3] Nguyễn Trọng Hiệp, Chi tiết máy (tập 1,2), NXB GD, 2006

[4] Phạm Đình Vy, Vũ Đức Lập, Cấu tạo ô tô quân sự (tập 2), HVKTQS, 1995

[5] Vũ Đức Lập, Sổ tay tra cứu tính năng kỹ thuật ô tô, HVKTQS, 2004

[6] Hướng dẫn đồ án môn học: Kết cấu tính toán ô tô quân sự

Tập 4, Phần hệ thống lái Trường ĐHKTQS, Vĩnh Yên 1977

[7] TOYOTA, cẩm nang sửa chữa, xê ri NCP 41, 42, 8/2003