(TIỂU LUẬN) đề tài tính toán thiết kế hệ thống lái ô tô

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

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 2

Phần 1 Tổng quan về hệ thống lái 3

Phần 2 Tính toán và phân phối tỷ số truyền 6

Phần 3 Tính bền cơ cấu trục răng – thanh răng và trợ lực 19

KẾT LUẬN 26

TÀI LIỆU THAM KHẢO 27

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 bảovấn 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 môn đóng 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

1.1.2 Yêu cầu

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 trongmột 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 sựtác 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

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 vơi xe ô tô con thi ta nên chon cơ cấulái 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

1 Tỷ số truyền hệ thống lái

Tỳ số truyền cơ cấu lái : là tỳ số của góc quay của vô lăng chia cho góc quay của đòn

quay đứng, đối với ô tô) chọn

Tỷ số truyền của dẫn động lái : nó phụ thuộc vào kích thước và quan hệ của các cánh tay

Tỷ số truyền theo góc của hệ thống lái : là tỷ số của góc quay vành tay lái lên

góc quay của bánh dẫn hướng

Tỷ số truyền lực của hệ thống lái : Tỷ số tổng lực cản khi ô tô quay vòng chia

cho lực đặt trên vành tay lái cần thiết để khắc phục được lực cản quay vòng

Trong đó: : 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

M 1 : Mô men lái đặt trên vành tay lái;

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 giữakhoang 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

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

2.1 Tính toán và phân phối tỉ số truyền.

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

độ (2.1)Trong đó:

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

độ

- Xác định tỉ số truyền của hệ hống lái : (2.2)

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 ôtôtại chỗ Lúc đó mômen cản quay vòng trên bánh xe dẫn hướng Mc sẽ bằng tổng số củamômen cản chuyển động M1, mômen cản M2 do sự trượt lết bánh xe trên mặt đường

và mômen cản M3 gây nên bởi sự làm ổn định các bánh xe dẫn hướng

Gbx – Trọng lượng tác dụng lên một bánh xe dẫn hướng

a – cánh tay đòn của bánh xe dẫn hướng a = 0,03 (m)

f – hệ số cản lăn f = 0,015

b Momen cản M2

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 Điểmđặt 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: x=0 5 √ r2−r2

bx (3.5)Trong đó:

r : bán kính tự do của bánh xe

Với bánh xe có cỡ lốp là: 6,5-16

rbx – bán kính làm việc của bánh xe

rbx = 0,935 ¿ r = 0.935 ¿ 368,3 = 344,36 (mm)

Do đó mômen cản do bánh xe trượt lết là:

- Với là hệ số bám ngang Lấy= 0,8

c Mômen ổn định ở các bánh xe M 3

Mômen ổn định tạo nên bởi độ nghiêng ngang, nghiêng dọc của trụ đứng Giá

trị của M3 thường rất nhỏ lấy M3 = 0

d Hiệu suất dẫn động của trụ đứng và hình thang lái

2.3 Xác định lực cực đại tác dụng lên vành tay lái

Khi đánh lái trong trường hợp ôtô đứng yên tại chỗ thì lực đặt lên vành tay lái để thắngđược lực cản 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:

th - hiệu suất thuận của cơ cấu lái. th = 0,6; id

- tỷ số truyền của truyền động lái id = 1

(3.6)

* Thay vào công thức (3.6):

(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:

B0

Cotg i - cotg i = L

Trong đó:

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

i – 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: (2.6)

Giá trị sai lệch so với lý thuyết từ - khi bánh xe dẫn hướng ở vùng

quay thấp b) Trường hợp xe quay vòng

Khi bánh xe bên trái quay đi một góc bên phải quay đi một góc , lúc này đòn bên của

bánh xe bên phải phải hợp với phương ngang một góc và bánh xe bên trái là

Công thức:

2.4.2 Xác định đặc tính lý thuyết

Trên hệ trục tọa độ đề các ta xác định được đường cong đặc tính lý thuyết qua quan hệ

Ứng với các giá trị từ lần lượt ta có các giá trị tương ứng của Các giá trị này được tính theo EXCEL

Bảng 2.1 Quan hệ giữa và theo lý thuyết

Trong đó:

: Góc quay của trục bánh xe dẫn hướng bên ngoài

: 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

: Góc tạo bởi đòn bên hình thang lái, m thường lấy theo kinh nghiệm:

Chọn sơ bộ góc ban đầu theo E.A Chuđakop:

Cho các giá trị xung quanh giá trị sơ bộ và dựa vào công thức trên để tìm ra quan

Độ dài thanh kéo ngang là:

Bảng 2.7: Đồ thị đặc tính hình học hình thang lái 2.5 Thiết kế cơ cấu lái

2.5.1 Xác định bán kính vòng lăn của bánh răng

Chọn chiều dài thanh răng dịch chuyển 1 đoạn là Chọn số vòng quay về 1 phía

của vành lái ứng với bánh xe quay là vòng

Ta có công thức:

2.5.2 Xác định các thông số của bánh răng

Trong đó: : đường kính vòng chia

: Mô đun pháp tuyến của bánh răng, chọn theo tiêu chuẩn

: Góc nghiêng ngang của bánh răng, chọn sơ bộ góc nghiêng

- Từ công thức trên ta suy ra số răng của bánh răng:

- Tính chính xác lại góc nghiêng, ta có:

- Mô đun ngang của bánh răng:

- Số răng tối thiểu:

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

- Hệ số dịch chỉnh đều

- Từ đó ta tính được các thông số bộ truyền bánh răng:

+ Đường kính vòng đỉnh:

+ Đường kính chân răng:

+ Góc ăn khớp của bánh răng được chọn theo chi tiết máy

+ Đường kính cơ sở của bánh răng:

+ Chiều cao đỉnh răng:

+ 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:

Trong đó:

: Ứng suất tiếp xúc cho phép tại tiết diện nguy hiểm nhất

: Momen xoắn gây nên sự nguy hiểm ở thanh răng

Thay vào công thức ta được:

Chọn do chế tạo liền trục

Chiều dài đoạn làm việc của thanh răng:

Môđun của thanh răng:

Bước răng:

Chiều cao của thanh răng:

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

Chọn số răng trên thanh răng là 26

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

- Góc nghiêng của răng hợp với phương ngang

Chọn

- Vậy góc nghiêng của răng

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 độbền cao Xác định lực tác dụng lên bộ truyền bánh răng trụ – thanh răng

- Mômen tác dụng lên bánh răng trụ:

(N.mm)

3.1 Xác định ứng suất cho phép

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 lái thì vật liệu chế tạo bánh răng trụ thanh răng được dùng là thép XH được tôi cải thiện, có:

ch 700MPa.

b 1000MPa.

HB = 260 290

a Ứng suất tiếp xúc cho phép:

- Giới hạn bền mỏi tiếp xúc của bánh răng:

- Ứng suất tiếp xúc cho phép của bánh răng:

(3.7)Trong đó:

SH - hệ số an toàn; lấy SH = 1,1;

ZR - hệ số xét ảnh hưởng của độ nhám; ZR = 0,95;

ZV - hệ số xét ảnh hưởng của vận tốc vòng; ZV = 1,1;

K XH - hệ số xét ảnh hưởng của kích thước bánh răng; K XH

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

- Ứng suất uốn cho phép của bánh răng

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

b Kiểm nghiệm răng về độ bền tiếp xúc:

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

(3.10)Trong đó:

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:

Zε - hệ số xét đến tổng chiều dài tiếp xúc

Với là hệ số trùng khớp ngang, được tính theo công thức sau:

ν H = 1,1; b = d d = 0,6 50 =30

* Thay các thông số vào công thức (3.10) được:

(MPa)

c Kiểm nghiệm răng về độ bền uốn:

- Ứng suất uốn được tính theo công thức:

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

dịch chỉnh = 0.647 và số răng tương đương

Trang 23

Vậy điều kiện Đảm bảo bộ truyền bánh răng trụ thanh răng đủ bền trong quá trình làm việc.

3.2 Tính bền trục lái

Trục lái làm bằng thép 20 có ứng suất cho phép 80MN / m2

Trục lái chế tạo đặc có đường kính d = 20 mm

Ứng suất xoắn gây nên tại tiết diện nguy hiểm được xác định bằng công thức:

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):

Trang 24

Góc xoắn tương đối không vượt quá (5,5 7,5 )/m.

Suy ra: , 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:

- Ta tính được phần trăm trợ lực là: 3.3.2 Momen cản mà trợ lực cần khắc phục

Đối với xe thiết kế ta chọn Từ đó ta tính được momen cần thiết để cường hóa là:

Mặc khác ta lại có:

Trong đó:

: Momen cản khi trục lái dịch chuyển, giá trị này nhỏ lấy bằng 1

: Momen cần thiết để xoắn thanh xoắn tới vị trí bắt đầu trợ lực

: 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: Ở

thời điểm bắt đầu cường hóa thì momen do mặt đường truyền lên là:

Momen cản mà cường hóa phải khắc phục là:

3.3.3 Chỉ số hiệu quả tác dụng trợ lực:

Là tỉ số giữa đặt lực vào vành tay lái khi không có trợ lực và khi có trợ lực:

3.3.4 Xác định đường kính trong của xilanh lực

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

Trong đó: Đường kính trong của xi lanh

: Áp suất cực đại trong hệ thống cường hóa , với xe tham khảo lấy

: đường kính cần lực đẩy piston Nó chính là đường kính của thanh răng chọn

: Lực tác dụng lên cần đẩy, được tính theo công thức:

Với:

: Tỉ số truyền của cơ cấu lái,

: Hiêuk suất của cơ cấu lái

Thay vào biểu thức trên ta được:

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:

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

Trang 28