PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LÁI…………………………………...5 1. Công dụng, phân loại, yêu cầu...........................................................................5 1.1. Công dụng của hệ thống lái..........................................................................5 1.2. Phân loại hệ thống lái...................................................................................5 1.3. Yêu cầu của hệ thống lái..............................................................................5 2. Kết cấu hệ thống lái............................................................................................6 2.1. Vành lái........................................................................................................6 2.2. Trục lái.........................................................................................................7 2.3. Cơ cấu lái.....................................................................................................7 2.3.1. Tỷ số truyền cơ cấu lái..........................................................................7 2.3.2. Hiệu suất cơ cấu lái............................................................................... 8 2.3.3. Các yêu cầu của cơ cấu lái....................................................................9 2.3.4. Các dạng cơ cấu lái thông dụng............................................................9 3. Các góc đặt bánh xe.........................................................................................12 3.1. Góc nghiêng ngang của bánh xe (Camber)................................................13 3.2. Góc nghiêng dọc trụ đứng (Caster)............................................................15 3.3. Góc nghiêng ngang trụ đứng (Kingpin).....................................................16 3.4. Độ chụm và độ mở (Góc doãng)................................................................17 3.5. Bán kính quay vòng (Góc bánh xe, bán kính quay vòng)..........................18 4. Dẫn động lái.....................................................................................................19 5. Trợ lực lái.........................................................................................................23 5.1. Tổng quan về trợ lực lái.............................................................................23 5.2. Kết cấu trợ lực lái.......................................................................................24 5.2.1. Nguồn cung cấp..................................................................................26 5.2.2. Bộ phận sinh lực.................................................................................27 5.2.3. Van phân phối.....................................................................................27 5.2.4. Tính chép hình của hệ thống lái..........................................................31 5.2.5. Nguyên lý hoạt động của hệ thống lái có trợ lực thủy lực...................31 PHẦN II: TÍNH TOÁN HỆ THỐNG LÁI……………………………………...33 1. Các số liệu thiết kế...........................................................................................33 2. Chọn phương án thiết kế..................................................................................33 1 Downloaded by EBOOKBKMT VMTC (nguyenphihung1009gmail.com) lOMoARcPSD|2935381 2.1. Chọn phương án dẫn động lái....................................................................33 2.2. Chọn phương án cơ cấu lái........................................................................34 3. Thiết kế hệ thống lái........................................................................................35 3.1. Tính mô men cản quay vòng......................................................................35 3.1.1. Mô men cản quay vòng M1gây nên do lực cản lăn............................35 3.1.2. Mô men cản M2do ma sát giữa bánh xe và mặt đường......................35 3.2. Tỷ số truyền của hệ thống lái.....................................................................37 3.2.1. Tỷ số truyền của dẫn động lái id..........................................................37 3.2.2. Tỷ số truyền của cơ cấu lái ic..............................................................37 3.2.3. Xác định lực tác động lớn nhất ở vành tay lái.....................................37 3.3. Chọn phương án cường hóa lái..................................................................38 3.4. Tính các thông số hình học của dẫn động lái.............................................39 3.4.1. Tính động học hình thang lái..............................................................39 3.4.2. Xây dựng đường đặc tính lý thuyết.....................................................41 3.4.3. Xây dựng đường đặc tính thực tế........................................................42 3.5. Kiểm tra các thông số hình học của cơ cấu lái...........................................45 3.5.1. Xác định bán kính vòng lăn của bánh răng.........................................45 3.5.2. Xác định các thông số của bánh răng..................................................45 3.5.3. Xác định kích thước và thông số của thanh răng................................46 3.6. Tính bền cơ cấu lái bánh răng thanh răng................................................47 3.6.1. Xác định lực tác dụng lên bộ truyền bánh răng – thanh răng.............47 3.6.2. Kiểm tra vật liệu.................................................................................47 3.7. Tính trục lái................................................................................................50 3.8. Tính bền đòn kéo ngang.............................................................................53 3.9. Tính bền đòn bên hình thang lái.................................................................51 3.10. Tính bền thanh nối bên của dẫn động lái..................................................54 3.11. Tính bền khớp cầu (rotuyl).......................................................................54 PHẦN III: THIẾT KẾ CƯỜNG HÓA LÁI………………………………….... 57 1. Yêu cầu và phương án chọn cường hóa............................................................57 1.1. Các yêu cầu của cường hoá........................................................................57 1.2. Chọn loại trợ lực........................................................................................57 2. Lựa chọn phương án bố trí cường hóa..............................................................58 2.1. Chọn phương án bố trí cường hóa..............................................................58 2.2. Chọn van phân phối...................................................................................59 2 Downloaded by EBOOKBKMT VMTC (nguyenphihung1009gmail.com) lOMoARcPSD|2935381 3. Tính toán cường hóa.........................................................................................61 3.1. Công tiêu hao của người lái để quay vành tay lái.......................................61 3.2. Xây dựng đặc tính cường hóa lái...............................................................62 3.3. Tính toán xi lanh lực..................................................................................64 3.4. Xác định năng suất của bơm......................................................................65 3.5. Tính các chi tiết của van phân phối............................................................67 3.5.1. Tính góc xoay của van quay...............................................................67 3.5.2. Các thông số khác...............................................................................68 PHẦN IV: THÁO LẮP BẢO DƯỠNG VÀ CHẨN ĐOÁN HƯ HỎNG HỆ THỐNG LÁI………………………...…………………………………………….72 1. Tháo cơ cấu lái.................................................................................................72 2. Lắp cơ cấu lái...................................................................................................72 3. Lắp ráp các cụm cường hóa..............................................................................73 3.1. Lắp ráp các bộ phận của xi lanh.................................................................73 3.2. Lắp van phân phối......................................................................................73 4. Chẩn đoán những hư hỏng của hệ thống lái và cách khắc phục.......................74 5. Bảo dưỡng hệ thống lái....................................................................................80 5.1. Bảo dưỡng kỹ thuật hệ thống lái................................................................80 5.2. Sửa chữa các chi tiết trong hệ thống lái.....................................................80 KẾT LUẬN……………………………………………………………………......82 TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LÁI
Công dụng, phân loại, yêu cầu
1.1 Công dụng của hệ thống lái
Hệ thống lái đóng vai trò điều khiển và duy trì hướng chuyển động của ô tô theo tác động của người lái, đồng thời phối hợp với các hệ thống điều khiển khác để đảm bảo an toàn giao thông khi xe di chuyển Hệ thống này giúp xe phản hồi nhanh nhạy khi người lái điều chỉnh vòng quay vô lăng, giữ đường đi và ổn định ở nhiều tốc độ khác nhau Bộ phận chính của hệ thống lái gồm từ cơ cấu điều khiển (vành lái) đến các cơ cấu điều khiển hướng chuyển động của toàn bộ xe, được thiết kế để tương tác hiệu quả với cơ khí, thủy lực hoặc điện tử Việc nắm vững cấu trúc và chức năng của hệ thống lái góp phần cải thiện an toàn, hiệu suất vận hành và trải nghiệm lái xe trên mọi điều kiện giao thông.
1.2 Phân loại hệ thống lái
Phân loại theo phương pháp chuyển hướng
- Chuyển hướng hai bánh xe ở cầu trước (2WS)
- Chuyển hướng tất cả các bánh xe (4WS)
Phân loại hệ thống lái theo đặc tính truyền lực
- Hệ thống lái cơ khí
- Hệ thống lái có trợ lực bằng thuỷ lực, bằng khí nén, kết hợp…
Phân loại theo kết cấu của cơ cấu lái
- Cơ cấu lái kiểu trục vít globoit – con lăn
- Cơ cấu lái kiểu trục vít – răng rẻ quạt và trục vít – êcu bi
- Cơ cấu lái kiểu bánh răng – thanh răng
Phân loại theo cách bố trí vành lái
- Bố trí vành lái bên trái (theo luật đi đường bên phải)
- Bố trí vành lái bên phải (theo luật đi đường bên trái)
1.3 Yêu cầu của hệ thống lái
Hệ thống lái đóng vai trò là một trong những yếu tố quyết định tính an toàn và ổn định của chuyển động ôtô Vì vậy, hệ thống này phải đáp ứng các yêu cầu thiết yếu như điều khiển chính xác, phản hồi nhanh và ổn định ở mọi điều kiện lái, đảm bảo người lái có thể nắm bắt và kiểm soát xe một cách an toàn và tin cậy.
Lực tác động lên vành lái nhẹ, vành lái nằm ở vị trí tiện lợi đối với người lái.
Đảm bảo tính năng vận hành cao của ôtô đồng nghĩa với khả năng xử lý nhanh nhạy và chính xác, cho phép xe quay vòng nhanh và ngặt trong một thời gian rất ngắn trên một diện tích rất bé Việc tối ưu hóa hiệu suất vận hành nâng cao tính linh hoạt khi lái, cải thiện khả năng xử lý trong không gian giới hạn và đảm bảo an toàn cho người dùng trong các tình huống quay đầu hoặc di chuyển trong đô thị Điều này đòi hỏi sự đồng bộ của hệ thống lái, treo và động cơ để đáp ứng nhu cầu hoạt động hiệu quả ở các khu vực có không gian hẹp.
Đảm bảo được động học quay vòng đúng để các bánh xe không bị trượt lết khi quay vòng
Hệ thống trợ lực lái có tính chất tuỳ động, có khả năng điều chỉnh lực trợ để đảm bảo phối hợp chặt chẽ giữa tác động của hệ thống lái và sự quay vòng của bánh xe dẫn hướng Tính tuỳ động cho phép hệ thống điều chỉnh lực trợ theo vận tốc và trạng thái lái, giúp cảm giác lái nhạy, mượt mà và đồng thời duy trì sự ổn định của bánh xe khi vào cua hoặc thay đổi tín hiệu lái Sự phối hợp giữa hệ thống lái và bánh xe dẫn hướng được tối ưu hóa nhờ cơ chế điều khiển thông minh, mang lại phản hồi nhanh, an toàn và tiết kiệm sức lái.
Tránh va đập truyền ngược từ bánh xe lên vành lái
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.
Giữ chuyển động thẳng ổn định.
Hệ thống lái phải bố trí thuận tiện trong việc bảo dưỡng và sửa chữa.
Kết cấu hệ thống lái
Hình 1.1 Sơ đồ kết cấu hệ thống lái đơn giản
1 Vành lái; 2 Trục lái; 3 Cơ cấu lái; 4 Khung xe; 5 Đòn dẫn động
Vành lái là cơ cấu có dạng vành tròn Người lái tác dụng lực lên vành lái tạo ra mô men quay để hệ thống lái làm việc
Mô men tạo ra trên vành lái là tích số của lực người lái trên vành tay lái với bán kính của vành lái:
Trong đó: Mvl : Là mô men vành lái
Pl là lực mà người lái tác động lên vành lái, rvl là bán kính của vành lái Vành lái của mọi loại ôtô đều có một mức độ dơ nhất định, và với xe ôtô con mức dơ này không được vượt quá 8 đơn vị Hiểu rõ hai tham số này giúp nhận biết độ nhạy và phản hồi của vô-lăng, đồng thời nhấn mạnh tầm quan trọng của bảo dưỡng hệ thống lái để đảm bảo an toàn và kiểm soát lái xe hiệu quả.
Trục lái chịu trách nhiệm truyền mô men lái từ vô lăng xuống cơ cấu lái Nó gồm trục lái chính có thể chuyển động để truyền quay từ vô lăng sang cơ cấu lái và ống trục lái dùng để cố định trục lái vào thân xe Trục lái kết hợp với cơ cấu hấp thụ va đập, giúp hấp thụ lực dọc trục tác dụng lên người lái khi xảy ra va chạm mạnh hoặc tai nạn, từ đó tăng cường an toàn vận hành xe.
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.
Ngoài cấu trúc hấp thụ va đập ở trục lái chính, hệ thống còn tích hợp một số cơ cấu điều khiển bổ sung như cơ cấu khóa lái để khóa cứng trục lái, cơ cấu nghiêng trục lái để điều chỉnh vị trí vô lăng theo phương thẳng đứng phù hợp với người lái và hệ thống trượt trục lái nhằm điều chỉnh chiều dài của trục lái, giúp đạt được vị trí ngồi lái tối ưu và nâng cao trải nghiệm lái xe.
Cơ cấu lái là thành phần cốt lõi của hệ thống lái, đảm bảo sự truyền lực và điều khiển góc lái hiệu quả Nó có nhiệm vụ biến đổi chuyển động quay vòng của trục lái thành chuyển động góc của đòn quay đứng, từ đó hình thành góc lái phù hợp với nhu cầu điều khiển Đồng thời cơ cấu này duy trì tỉ số truyền được thiết kế, giúp hệ thống lái đáp ứng nhanh nhạy và ổn định trong mọi tình huống khi lái xe.
Cơ cấu lái thực chất là hộp giảm tốc, có nhiệm vụ khuếch đại mô-men xoắn từ vô lăng tới các bánh xe dẫn hướng Nhờ đó, người lái chỉ cần một lực quay nhỏ trên vô lăng vẫn có thể kiểm soát góc lái mong muốn của bánh xe Các tham số đặc trưng của cơ cấu lái gồm tỷ số truyền, hiệu suất thuận và hiệu suất nghịch; tỷ số truyền xác định mức độ khuếch đại mô-men và hai hệ số hiệu suất cho biết mức hao phí năng lượng khi truyền mô-men xoắn theo chiều thuận và ngược lại.
2.3.1 Tỷ số truyền cơ cấu lái
Tỷ số truyền cơ cấu lái ic là tỷ số giữa góc quay của bánh lái và góc quay của đòn quay đứng:
: là góc quay của vô lăng
: là góc quay của trục đòn quay đứng
Trong cơ cấu lái, tỷ số truyền có thể không đổi hoặc thay đổi tùy theo chế độ vận hành Quy luật thay đổi tỷ số truyền thích hợp nhất được thể hiện trên giản đồ sau, cho biết cách xác định mức độ và thời điểm điều chỉnh để tối ưu hóa đáp ứng lái, tính ổn định và hiệu quả vận hành của hệ thống lái.
Hình 1.2 Giản đồ thể hiện quan hệ giữa tỷ số truyền của cơ cấu lái và góc quay của vành tay lái
* i = góc quay của vô lăng / góc quay của bánh dẫn hướng (đối với cơ cấu lái trục răng - thanh răng ).
Theo nguyên lý đã phân tích, khi ô tô chạy thẳng với vận tốc cao, người lái chỉ cần đánh lái ở các góc rất nhỏ quanh vị trí trung tâm, vì tỷ số truyền lớn ở khu vực này giúp điều khiển xe nhẹ nhàng và giảm va đập truyền ngược từ mặt đường lên vô lăng Ở các góc đánh lái lớn, tỷ số truyền nhỏ hơn hỗ trợ điều khiển linh hoạt, cho phép ô tô quay vòng trong những không gian hẹp và có bán kính quay vòng nhỏ Tuy nhiên, cơ cấu lái có tỷ số truyền thay đổi thường phức tạp và đắt tiền Vì vậy, với hệ thống lái có trợ lực, nên sử dụng cơ cấu lái có tỷ số truyền không đổi.
2.3.2 Hiệu suất cơ cấu lái
Trong cơ cấu lái người ta phân biệt 2 hiệu suất thuận và nghịch:
Hiệu suất thuận là thước đo hiệu quả truyền lực từ vô lăng tới bánh xe Hiệu suất thuận cao đồng nghĩa với giảm tổn hao năng lượng điều khiển và lái nhẹ hơn, giúp phản hồi vô lăng mượt mà và dễ kiểm soát xe hơn.
Hiệu suất nghịch là chỉ số đánh giá lực truyền từ bánh xe lên vô lăng trong hệ thống lái Khi thiết kế cơ cấu lái, nên chọn hiệu suất nghịch nhỏ để giảm bớt lực truyền từ mặt đường lên vô lăng, từ đó tăng độ nhạy và cảm giác lái cho người điều khiển Việc tối ưu hiệu suất nghịch còn giúp giảm công suất cần thiết để điều khiển xe, cải thiện an toàn và khả năng kiểm soát xe ở mọi tốc độ.
Nhờ hiệu suất nghịch nhỏ, lực va đập từ mặt đường truyền ngược lên vô lăng được giảm thiểu đáng kể, đây là một ưu điểm của cơ cấu lái cần được tận dụng tối đa Tuy nhiên, nếu hiệu suất nghịch quá nhỏ thì vô lăng sẽ mất khả năng tự trở về vị trí trung gian nhờ các mô men ổn định Vì vậy trong quá trình thiết kế nên chọn hiệu suất nghịch ở mức độ hợp lý để cân bằng giữa cảm giác lái và sự tự chủ của vô lăng.
2.3.3 Các yêu cầu của cơ cấu lái
Phần lớn các yêu cầu của hệ thống lái đều do cơ cấu lái đảm bảo Vì vậy cơ cấu lái cần phải đảm bảo những yêu cầu sau:
+ Có thể quay được cả hai chiều để đảm bảo chuyển động cần thiết của xe.
Để đạt hiệu suất lái nhẹ, hệ thống phải tối ưu sự cân bằng giữa hiệu suất thuận và hiệu suất nghịch, với ưu tiên hiệu suất thuận lớn hơn hiệu suất nghịch nhằm giữ lại phần lớn các va đập từ mặt đường ở cơ cấu lái Nhờ đó, cảm giác lái sẽ nhẹ nhàng hơn, xe vận hành ổn định hơn trên các mặt đường xóc và tăng tuổi thọ cho cơ cấu lái do giảm tác động từ mặt đường.
+ Đảm bảo thay đổi trị số của tỷ số truyền khi cần thiết.
+ Đơn giản trong việc điều chỉnh khoảng hở ăn khớp của cơ cấu lái.
+ Độ dơ của cơ cấu lái là nhỏ nhất.
+ Đảm bảo kết cấu đơn giản nhất, giá thành thấp và tuổi thọ cao.
+ Chiếm ít không gian và dễ dàng tháo lắp.
Lực dùng để quay vô lăng, hay còn gọi là lực lái, là lực tác động để người lái điều khiển xe Giá trị của lực lái đạt đỉnh khi xe đứng yên tại chỗ và sẽ giảm dần khi tốc độ xe tăng lên, cho tới khi đạt mức nhỏ nhất ở vận tốc cao nhất.
Độ đàn hồi của hệ thống lái ảnh hưởng tới sự truyền các va đập từ mặt đường lên vô lăng; khi độ đàn hồi càng lớn, va đập truyền lên vô lăng càng ít, giúp xe ổn định hơn, nhưng độ đàn hồi quá cao có thể ảnh hưởng tới khả năng chuyển động và phản hồi của xe Độ đàn hồi được xác định bằng tỷ số giữa góc quay đàn hồi trên vành lái và mô-men tác động lên vành lái, thể hiện mức độ đáp ứng của hệ thống lái với lực từ mặt đường Độ đàn hồi của hệ thống lái còn phụ thuộc vào độ đàn hồi của các phần tử như cơ cấu lái và các đòn dẫn động.
2.3.4 Các dạng cơ cấu lái thông dụng
* Cơ cấu lái bánh răng – thanh răng
Cơ cấu lái kiểu bánh răng – thanh răng gồm bánh răng ở phía dưới trục lái chính ăn khớp với thanh răng; trục bánh răng được lắp trên các ổ bi và được điều chỉnh bằng êcu lớn ép chặt ổ bi, đảm bảo ổ bi có độ chặt vừa phải và ổn định làm việc Trên vỏ êcu có phớt che bụi nhằm ngăn bụi xâm nhập, bảo vệ trục răng và giúp nó quay nhẹ nhàng, tăng tuổi thọ và độ tin cậy của hệ thống lái.
Thanh răng có cấu tạo dạng răng nghiêng, phần cắt răng nằm ở giữa và phần thân còn lại có tiết diện tròn Khi vô lăng quay, bánh răng quay tác động lên thanh răng để thanh răng dịch chuyển tịnh tiến sang phải hoặc sang trái trên hai bạc trượt Sự dịch chuyển của thanh răng được truyền đến hệ thống lái, từ đó điều khiển góc quay của bánh xe và hướng đi của xe.
2 1 chuyển của thanh răng được truyền tới đòn bên qua các đầu thanh răng, sau đó làm quay bánh xe dẫn hướng quanh trụ xoay đứng.
Hình 1.3 Cơ cấu lái kiểu bánh răng – thanh răng
Các góc đặt bánh xe
Việc bố trí các bánh xe dẫn hướng liên quan trực tiếp tới tính điều khiển của xe và tính ổn định của chuyển động ôtô Các yêu cầu chính của bố trí bánh xe dẫn hướng nhằm đảm bảo điều khiển chính xác và ổn định ở mọi tình huống lái, tối ưu hóa góc đặt bánh xe như toe, camber và caster, phân bổ lực tác dụng lên từng bánh, cải thiện độ bám đường và tiết kiệm nhiên liệu, đồng thời giảm mài mòn và tăng độ tin cậy của hệ thống treo và trợ lực lái Việc thiết kế và điều chỉnh bố trí bánh xe cần cân nhắc tới tải trọng, điều kiện đường xá và sự đồng bộ giữa hệ thống lái với hệ thống treo để duy trì phản ứng lái nhất quán.
Chuyển động nhẹ nhàng, chính xác đảm bảo ổn định khi đi thẳng cũng như khi quay vòng, kể cả khi gặp sự cố ở các hệ thống khác Với ô tô du lịch, yêu cầu này ngày càng được chú trọng và nâng cao do vận tốc xe không ngừng tăng lên Ôtô có thể di chuyển theo mọi hướng nhờ sự tác động của người lái quanh vô-lăng Tuy nhiên, nếu đi thẳng mà người lái phải liên tục tác động lên vô-lăng để giữ xe ở trạng thái chạy thẳng, hoặc phải dùng lực lớn để quay vòng, sẽ gây mỏi cơ tay và căng thẳng cả về thể lực lẫn tinh thần khi điều khiển xe.
Để khắc phục các vấn đề đã nêu, các bánh xe được lắp vào thân xe ở các góc cố định tùy theo yêu cầu của từng loại xe và đặc tính sử dụng của chúng Những góc này được gọi chung là góc đặt bánh xe và được thiết kế để tối ưu hóa hiệu suất vận hành, an toàn và tiết kiệm nhiên liệu Việc điều chỉnh góc đặt bánh xe dựa trên loại xe và mục đích sử dụng giúp cải thiện khả năng bám đường, ổn định lái và tuổi thọ của hệ thống treo.
Việc điều khiển xe sẽ dễ dàng hơn khi các bánh xe được đặt theo một góc chính xác theo yêu cầu thiết kế Các góc đặt bánh xe đúng chuẩn giúp xe ổn định, tăng khả năng phản hồi khi đánh lái và giảm mài mòn lốp Ngược lại, nếu các góc đặt bánh xe không đúng, xe có thể gặp nhiều hiện tượng như kéo hoặc lệch hướng, mài mòn lốp không đều, tăng tiêu hao nhiên liệu và gây rung lắc khi vận hành, ảnh hưởng tới sự thoải mái và an toàn Vì vậy, kiểm tra và điều chỉnh góc đặt bánh xe định kỳ là cần thiết để duy trì hiệu suất lái xe, kéo dài tuổi thọ lốp và tối ưu hóa hiệu quả sử dụng nhiên liệu.
+ Tính ổn định lái kém.
+ Trả lái trên đường vòng kém.
+ Tuổi thọ lốp giảm (mòn nhanh).
Góc đặt bánh xe gồm các yếu tố sau :
+ Góc nghiêng ngang của bánh xe (Góc Camber)
+ Góc nghiêng dọc của trụ đứng (Góc Caster và khoảng Caster)
+ Góc nghiêng ngang trụ đứng (Góc Kingpin)
+ Góc doãng (Độ chụm và độ mở)
+ Bán kính quay vòng (Góc bánh xe, bán kính quay vòng).
3.1 Góc nghiêng ngang của bánh xe (Camber)
Góc camber là góc tạo bởi đường tâm của bánh xe dẫn hướng ở vị trí thẳng đứng so với đường tâm của bánh xe ở vị trí nghiêng, được đo bằng độ Khi bánh xe dẫn hướng nghiêng ra ngoài thì gọi là camber dương, và ngược lại gọi là camber âm.
“camber âm” Bánh xe không nghiêng thì camber bằng không (bánh xe thẳng đứng ).
* Chức năng của góc camber:
Những năm trước, bánh xe được đặt với góc camber dương để cải thiện độ bền của cầu trước và để lốp tiếp xúc vuông góc với mặt đường nhằm ngăn ngừa sự mòn không đều của lốp do phần giữa cao hơn hai mép Hiện nay, hệ thống treo và cầu xe ổn định hơn và mặt đường phẳng hơn, nên ít cần camber dương, và nhiều xe được điều chỉnh camber gần bằng 0 hoặc bằng 0 Khi góc camber bằng 0, mặt tiếp xúc giữa lốp và mặt đường được tối ưu và sự mòn lốp được cân bằng.
0 hoặc gần bằng 0 có ưu điểm là khi đi trên đường vòng bánh xe nằm trong vùng có khả năng truyền lực dọc và lực bên tốt nhất.
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.
3.2 Góc nghiêng dọc trụ đứng (Caster)
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 c
V thẳng đứng khi nhìn từ cạnh xe Nếu trụ xoay đứng nghiêng về phía sau thì gọi là caster dương, nghiêng về phía trước thì gọi là caster 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.
Góc caster và khoảng caster được thể hiện ở hình sau:
Hình 1.9 Caster và khoảng Caster
* Chức năng của góc caster :
Hồi vị bánh xe do khoảng Caster là hiện tượng xuất hiện phản lực bên Yb tại khu vực tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường khi xe vào đường vòng, chịu tác động của lực ly tâm; đồng thời lực do gió bên và thành phần của trọng lượng xe khi xe đi trên đường nghiêng cũng đóng góp vào sự xuất hiện của phản lực bên tại tiếp xúc Các yếu tố này khiến bánh xe chịu lực phản hồi bên, dẫn tới hồi vị và ảnh hưởng đến động học của xe khi vào cua.
Trong hệ thống treo, khi trụ quay đứng được đặt nghiêng về phía sau so với phương tiến của xe (caster dương), phản lực tại phía Yb trên đường tiếp xúc sẽ sinh ra một mô-men ổn định với tâm tiếp xúc Mô-men này được xác định bằng công thức sau:
Mô men này có xu hướng quay bánh xe trở về vị trí trung tâm khi bánh xe lệch khỏi vị trí ban đầu; tuy nhiên khi xe quay, người lái phải tạo ra một lực để khắc phục mô men này, nên góc caster thường không lớn Mô men này phụ thuộc vào góc quay của bánh xe dẫn hướng và ở các xe hiện đại trị số góc caster nằm khoảng từ 0.0° đến 3.0°.
Để có tính ổn định khi chạy thẳng, góc caster định vị giao điểm giữa đường tâm trục xoay đứng với mặt đường ở phía trước điểm tiếp xúc của lốp lên mặt đường Khi lốp xe bị kéo về phía trước, lực kéo này vượt qua các lực gây mất ổn định, giúp bánh xe duy trì đường thẳng và ổn định trên mặt đường.
3.3 Góc nghiêng ngang trụ đứng (Kingpin)
Góc nghiêng ngang của trụ đứng được xác định trên mặt cắt ngang của xe, và góc kingpin được hình thành từ hình chiếu của đường tâm trụ đứng lên mặt cắt ngang đó theo phương thẳng đứng.
* Chức năng của góc kingpin:
Giảm lực đánh lái xảy ra khi bánh xe quay sang phải hoặc quay quanh trụ đứng với khoảng lệch tâm r0 r0 là bán kính quay của bánh xe quanh trụ đứng, là khoảng cách trên bề mặt của đường cong nằm ngang giữa đường kéo dài tâm trụ quay đứng và tâm của vết tiếp xúc của bánh với mặt đường Nếu r0 lớn sẽ sinh ra mô men quanh trụ đứng lớn do sự cản lăn của lốp, từ đó làm tăng lực đánh lái Vì vậy giá trị của r0 có thể được giảm để giảm lực đánh lái; phương pháp giảm r0 gồm tạo camber dương và làm nghiêng trụ quay đứng, tức là tạo góc kingpin cho hệ thống treo.
Để giảm sự đẩy ngược và kéo lệch sang một phía, khi khoảng lệch r0 lớn hơn, phản lực tác dụng lên bánh xe trong quá trình vận hành và khi phanh sẽ sinh ra mômen quay quanh trụ đứng, từ đó làm bánh xe bị kéo lệch về phía chịu phản lực lớn hơn; các va đập từ mặt đường tác động lên bánh xe khiến vô lăng dao động mạnh và bị đẩy ngược Mômen này tỉ lệ thuận với độ lớn của khoảng lệch; khi khoảng lệch gần bằng 0, mômen nhỏ hơn sinh ra quanh trục xoay đứng khi tác dụng lực lên bánh xe, và vô lăng sẽ chịu ít ảnh hưởng bởi lực phanh hay va đập từ mặt đường.
Dẫn động lái
Dẫn động lái gồm tất cả các chi tiết truyền lực từ cơ cấu lái đến ngõng quay của bánh xe, là hệ thống chịu trách nhiệm chuyển động hướng lái thành hành động thực tế của bánh xe Vì vậy, dẫn động lái trên xe phải đảm bảo các chức năng cơ bản như truyền lực lái từ vô-lăng đến ngõng quay bánh xe một cách chính xác và nhanh nhạy, duy trì sự ổn định và kiểm soát xe ở mọi tốc độ, phản hồi cảm giác lái chân thực và dễ thao tác, đồng thời đảm bảo sự liên kết giữa các thành phần để tránh hiện tượng mất lái hoặc hao mòn bất thường, và tối ưu hóa độ bền, an toàn cũng như khả năng bảo dưỡng.
+ Nhận chuyển động từ cơ cấu lái tới các bánh xe dẫn hướng.
Đảm bảo quay vòng của các bánh xe dẫn hướng với biên độ và tốc độ phù hợp để ngăn ngừa hiện tượng trượt bên lớn ở tất cả các bánh xe, đồng thời tăng cường liên kết giữa các bánh xe dẫn hướng nhằm đảm bảo sự phối hợp nhịp nhàng và ổn định của hệ thống dẫn đường.
Phần tử cơ bản của dẫn động lái là hình thang lái được hình thành bởi cầu trước, đòn kéo ngang và đòn kéo bên; nhờ cấu trúc này, khi quay vô lăng một góc thì các bánh xe dẫn hướng sẽ quay theo một góc tương ứng, giúp xe đổi hướng chính xác và ổn định.
Quan hệ hình học của ACKERMAN
Quan hệ hình học của Ackermann biểu thị cách góc quay của hai bánh xe dẫn hướng quanh trục đứng được điều chỉnh sao cho các đường thẳng thẳng qua tâm quay vòng tức thời của xe giao nhau tại một điểm nằm trên đường kéo dài của tâm trục cầu sau Giả thiết này cho rằng tâm quay vòng tức thời của xe nằm trên đường kéo dài của trục sau, giúp hai bánh xe trước có góc quay khác nhau phù hợp để xe quay tròn với bán kính tối ưu và giảm sự trượt bánh khi chuyển hướng.
Trong Hình 1.14, quan hệ hình học của hệ thống Ackermann được dùng để quay vòng đúng khi hai bánh dẫn trên cùng một cầu xe quay với các góc α và β khác nhau Để bảo đảm quay vòng chính xác, các bánh dẫn hướng phải có góc quay khác nhau; quan hệ hình học giữa hai góc được mô tả bởi công thức cotg α − cotg β = B0 / L (1), trong đó B0 là chiều rộng giữa hai bánh dẫn và L là chiều dài cơ sở của xe.
Trong đó : - L : chiều dài cơ sở của xe
- B0 : khoảng cách của hai đường tâm trụ quay đứng
α, β là góc quay của bánh xe dẫn hướng phía ngoài và phía trong Để đảm bảo điều kiện (1), 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 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 được giảm thiểu và kiểm soát.
Trong cấu hình 4 khâu với quan hệ hình học Ackermann, hiệu quả của mô hình chỉ thể hiện ở các góc quay lớn của bánh xe dẫn hướng Giá trị sai lệch so với lý thuyết Ackermann được quan sát và tăng lên khi bánh xe dẫn hướng ở vùng quay vòng gấp, cho thấy sự khác biệt giữa mô hình lý thuyết và thực tế ở các góc lái hẹp.
* Có hai phương pháp bố trí dẫn động lái điển hình:
- Đối với dầm cầu liền, hệ thống treo phụ thuộc thì cấu tạo của hình thanh lái Đantô như sau:
Dầm cầu đứng đóng vai trò là khâu cố định, hai đòn bên dẫn động các bánh xe, đòn ngang liên kết với các đòn bên bằng những khớp cầu (rotuyl lái) Các đòn bên quay quanh đường tâm trụ đứng.
Phương pháp bố trí được trình bày như hình dưới đây:
Hình 1.15 Cơ cấu 4 khâu khi có dầm cầu liền a Đòn kéo ngang khi có dầm cầu liền b Đòn kéo ngang nằm trước dầm cầu
- Trên hệ thống treo độc lập, số lượng các đòn và khớp tăng lên nhằm đảm bảo các bánh xe dịch chuyển độc lập với nhau.
Trong thiết kế hệ thống lái, số lượng các đòn tăng lên phụ thuộc vào kết cấu của cơ cấu lái, vị trí bố trí cơ cấu lái, dẫn động lái và hệ thống treo; tuy nhiên vẫn đảm bảo quan hệ hình học Ackermann, tức gần đúng với hình thang lái Đantô, nhằm tối ưu góc quay của các bánh xe khi vào cua và giảm mòn lốp.
Hiện nay trên xe con thông dụng là hệ thống treo độc lập, do vậy dẫn động lái có rất nhiều đòn và khớp.
Hình 1.16 Cơ cấu đòn ngang nối liên kết với hệ thống treo độc lập a Đòn ngang nối nằm sau dầm cầu b Đòn ngang nối nằm trước dầm cầu
Ở xe tải phổ thông, hệ thống treo phụ thuộc buộc phải dùng hình thang lái Đantô Trên một số xe tải hạng nặng, xe siêu trường, xe siêu trọng có dẫn động lái hai cầu trước (tức 4 bánh dẫn hướng) và hai hình thang lái 4 khâu Đantô, như trên các xe Hyundai 18 tấn.
Hình 1.17 Bố trí hai cầu trước dẫn hướng
Tỷ số truyền của dẫn động lái được xác định bởi kích thước và mối quan hệ giữa các cánh tay đòn, nên thiết kế các thông số này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất vận hành của hệ thống Trong các kết cấu dẫn động lái hiện đại, tỷ số truyền thường dao động từ khoảng 0,85 đến 1,1, phản ánh sự cân bằng giữa lực tác động và vận tốc quay để đảm bảo thao tác lái ổn định và hiệu quả.
* Cấu tạo các khớp, đòn, giảm chấn của dẫn động lái
- Khớp cầu: Khớp cầu dùng trong hệ thống lái có 2 dạng:
Khớp cầu có hai chế độ bảo dưỡng chính: bôi trơn thường xuyên và bôi trơn một lần Ngày nay, khớp cầu dùng cho xe con thường là loại không cần bảo dưỡng (bôi trơn một lần), trong khi khớp cầu dùng cho xe tải là loại bôi trơn thường xuyên Khớp cầu bôi trơn một lần gồm các loại sau: bạc kim loại, bạc nhựa và bạc cao su Ở các hệ thống lái có đòn quay, các đòn phụ chỉ đảm nhận mối quan hệ dịch chuyển hình học và lực tác dụng nên khớp nhỏ thường dùng loại bạc cao su Khớp cầu có bạc nhựa liền khối có biến dạng rất nhỏ và chịu ma sát tốt với giá thành không cao; loại này được sử dụng rộng rãi trên các xe con hiện nay.
Khớp cầu có bạc kim loại chỉ dùng trên các xe thể thao vì yêu cầu độ bền cao
Đòn dẫn động lái gồm hai dạng phổ biến: đòn có kích thước cố định (hình thang lái) và đòn kéo dọc có thể thay đổi chiều dài Hình dạng của các đòn phụ thuộc vị trí, kết cấu và không gian cho phép khi dịch chuyển, nhưng phần lớn chúng có tiết diện tròn và rỗng Đối với đòn kéo dọc (điều chỉnh độ chụm của bánh xe), hai đầu là khớp cầu; trên thân mỗi đầu có ren ngược chiều nhau để khi điều chỉnh chỉ cần xoay đòn kéo Thân khớp cầu liên kết với các đòn qua các bề mặt và được hãm bằng chốt chẻ.
Giảm chấn của hệ thống lái là yếu tố quan trọng giúp nâng cao chất lượng xe Một số loại xe được trang bị giảm chấn trong hệ thống lái nhằm cải thiện độ ổn định và cảm giác lái khi vận hành Trong các hệ thống lái có cường hoá, phần cường hoá đóng vai trò như một giảm chấn, làm dịu phản ứng của vô-lăng và mang lại sự êm ái hơn trong quá trình điều khiển xe.
Tác dụng của giảm chấn là dập tắt các dao động từ mặt đường lên vành tay lái, ổn định vành lái khi đi trên đường xấu.
Trợ lực lái
5.1 Tổng quan về trợ lực lái
Lực cản quay vòng của xe là tỉ lệ thuận với trọng lượng xe phân bố lên cầu trước dẫn hướng, nên những xe có tải trọng lớn sẽ gặp lực cản quay vòng lớn hơn Khi lực cản quay vòng tăng đến một ngưỡng nhất định, người lái sẽ gặp khó khăn trong việc điều khiển vô-lăng Trong trường hợp đó, cần có một bộ phận hỗ trợ cho người lái khi quay vòng xe, được gọi là trợ lực lái.
Trợ lực lái đòi hỏi nguồn năng lượng, các van điều khiển và bộ phận sinh lực có độ chính xác cao nên hệ thống này có chi phí sản xuất đắt và ban đầu chỉ được dùng trên các xe tải lớn và tải trọng rất lớn; tuy nhiên nhờ tiến bộ kỹ thuật và công nghệ sản xuất ngày càng hiệu quả, giá thành các chi tiết trợ lực được hạ xuống và nhu cầu tăng tiện nghi cho người lái ngày càng cao, nên trợ lực lái hiện nay được ứng dụng rộng rãi trên cả xe tải nhỏ và xe ô tô du lịch.
Nguồn năng lượng cung cấp cho trợ lực lái có thể là chất lỏng áp suất cao, khí nén hoặc điện, từ đó hình thành các loại trợ lực lái khác nhau như trợ lực thủy điện, trợ lực khí nén và trợ lực điện Mỗi loại nguồn năng lượng mang lại đặc tính điều khiển lái riêng biệt, giúp tối ưu hóa hiệu suất, độ nhạy và độ ổn định cho hệ thống lái của phương tiện.
- Trợ lực thủy lực được dùng nhiều hơn cả vì kết cấu gọn, dễ bố trí
Trợ lực khí nén hoạt động theo nguyên lý tương tự trợ lực thủy lực, nhưng do áp suất khí nén cao khiến kết cấu của hệ trợ lực khí nén trở nên cồng kềnh Vì vậy, trợ lực khí nén được sử dụng ít hơn so với các hệ trợ lực khác trong thực tế.
Trợ lực điện được thiết kế gọn nhẹ, nhưng nguồn lực chủ yếu là động cơ điện nên việc đảo chiều gặp khó khăn do rôto có mô men quán tính nhất định Vì đặc điểm này, trợ lực điện ít được sử dụng trong các hệ thống truyền động.
* Trợ lực lái phải đảm bảo các yêu cầu sau:
Khi bộ phận trợ lực lái bị hỏng, hệ thống lái vẫn hoạt động ở mức cơ bản, nhưng người lái phải dùng lực lớn hơn để điều khiển vô lăng Lực lái do người lái tạo ra sẽ tăng lên và đòi hỏi sự tập trung cao để duy trì lái xe, tuy nhiên xe vẫn có thể đưa về nơi sửa chữa được một cách an toàn.
- Phải đảm bảo cảm giác cho người lái khi lái xe:
+ Bộ cường hóa chỉ bắt đầu hoạt động khi lực tác dụng lên vô lăng đạt được một giá trị nhất định ( khoảng 20N ).
+ Lực trên vô lăng tỷ lệ thuận với lực cản quay vòng. Để lái thuận tiện trung bình lực trên vô lăng khoảng 40 – 70 N, cực đại khoảng 100 –
5.2 Kết cấu trợ lực lái
Một số sơ đồ hệ thống lái có trợ lực:
Sơ đồ 1 Cơ cấu lái, van phân phối và xi lanh lực được bố trí riêng rẽ
1 Nguồn cung cấp chất lỏng; 2 Xi lanh lực; 3 Cơ cấu lái;
4 Van phân phối; 5,6,7,8 Đường dầu
Sơ đồ 2 Cơ cấu lái và van phân phối được bố trí trên cùng một khối
Sơ đồ 3 Van phân phối và xi lanh lực được bố trí trên cùng một khối
Sơ đồ 4 Bố trí trợ lực lái cùng với đòn kéo ngang
Van phân phối thủy lực được điều khiển bởi tín hiệu từ vô lăng, phản ánh tức thì góc quay và lực tác dụng lên vô lăng để điều khiển luồng chất lỏng đến xi lanh lực Giống như các bộ trợ lực của hệ thống lái khác, van phân phối đảm bảo tính tuyến tính và đồng bộ cho toàn bộ hệ thống, cụ thể là duy trì mối quan hệ tỉ lệ thuận giữa lực điều khiển trên vô lăng và áp suất chất lỏng đến xi lanh lực, từ đó cải thiện độ nhạy và độ ổn định của hệ thống lái.
Khi quay vòng sang phải, van phân phối kết nối đường dầu 6 với 8 và đường dầu 5 với 7 Dòng dầu từ bơm đi vào khoang dưới của xi lanh lực, đẩy piston lên và làm bánh dẫn hướng quay sang phải Dầu ở khoang trên xi lanh lực sẽ theo đường 6 về đường 8 và hồi về bơm.
Trong hệ thống thủy lực, nguồn cung cấp chính là bơm thủy lực được kéo bởi động cơ ô tô, đảm bảo cấp chất lỏng áp suất cao cho toàn bộ hệ thống Bộ phận sinh lực là xi lanh lực, đóng vai trò chuyển đổi năng lượng áp suất thành chuyển động cơ học Chất lỏng làm việc trong hệ thống là dầu thủy lực, được chọn để truyền áp lực, bôi trơn và làm mát các bộ phận.
Nguồn cung cấp hệ thống thủy lực gồm bơm thủy lực, bình chứa dầu, van an toàn và ắc quy thủy lực để vận hành ổn định Bơm thủy lực là thành phần then chốt, thường dùng hai loại chính là bơm cánh gạt và bơm bánh răng, với áp suất chất lỏng có thể đạt từ 0,4 đến 0,6 MPa Bình chứa dầu đảm bảo lưu lượng và ổn định áp suất, van an toàn bảo vệ hệ thống khỏi quá áp, còn ắc quy thủy lực cung cấp nguồn điện cho hoạt động của bơm và các thiết bị điều khiển.
- Nguyên lý làm việc của bơm cánh gạt :
Bơm cánh gạt gồm các bộ phận chính là vòng cam, rôto, cánh và van điều khiển lưu lượng Khi rôto quay trong vòng cam, vòng cam bám chặt với vỏ bơm tạo sự kín khít giữa các thành phần Trên rôto có các rãnh, trong đó đặt các cánh gạt đúng vị trí Vòng ngoài của rôto có dạng tròn; mặt trong của vòng cam có hình ô van, từ đó tạo khe hở giữa rôto và vòng cam Các rãnh gạt chia các khe hở thành các buồng dẫn chất, quyết định dòng chảy và áp suất trong bơm.
Hình 1.18 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của bơm cánh gạt
Các cánh gạt xếp chồng lên vòng cam nhờ lực ly tâm và áp suất dầu tác dụng lên cạnh trong của cánh nên làm kín rất tốt, do vậy khi bơm hoạt động sinh ra dầu có áp suất cao mà không bị rò rỉ tại phần tiếp xúc giữa cánh gạt và vòng cam Thể tích tại buồng dầu tăng tại cửa hút nên dầu trong bình chứa được hút vào buồng dầu từ cửa hút Thể tích buồng dầu giảm ở phía bơm do vậy dầu hút vào bị đẩy ra ngoài theo cửa bơm Bơm có hai cửa hút và hai cửa bơm Vì vậy mỗi vòng quay của rôto thì dầu được hút và đẩy hai lần.
Bộ phận sinh lực, còn gọi là xi lanh lực, gồm xi lanh, pittông và cần pittông; nó là thiết bị biến đổi áp suất chất lỏng thành lực tác dụng lên dẫn động lái để quay bánh xe khi hệ thống vận hành Xi lanh lực có thể bố trí độc lập, có thể ghép với van phân phối, hoặc ghép chung với van phân phối và cơ cấu lái, nhằm tối ưu hóa khả năng dẫn động và kiểm soát lực quay của bánh xe trong quá trình hoạt động.
Van phân phối hay van điều khiển có nhiệm vụ điều khiển dòng chất lỏng đi đến xi lanh lực sao cho trạng thái quay vòng của hệ thống lái (quay trái, quay phải hoặc đi thẳng) được phản ánh chính xác Van này còn có yêu cầu quan trọng là đảm bảo tính chép hình cho hệ thống lái, nghĩa là góc quay của bánh xe dẫn hướng phải tương ứng với góc quay của vô lăng và lực tác động lên vô lăng phải tương ứng với lực cản quay vòng.
Van phân phối trên trợ lực lái thường có 2 loại: loại van trượt và loại van xoay.
Van điều khiển kiểu xoay trong cơ cấu lái quyết định dầu từ bơm sẽ đi đến buồng nào; trục van điều khiển (mô-men từ vô lăng tác dụng lên) và trục răng được nối với nhau bằng một thanh xoắn Van xoay và trục răng được nối với nhau bằng một chốt và quay cùng nhau Khi có áp suất dầu, thanh xoắn bị xoắn hết cỡ, trục van điều khiển và trục răng sẽ tiếp xúc với nhau ở vấu chặn, nên mômen từ trục van điều khiển được truyền trực tiếp đến trục răng.
Hình 1.19 Van điều khiển kiểu xoay
TÍNH TOÁN HỆ THỐNG LÁI
Các số liệu thiết kế
Các thông số cơ bản của xe:
Chiều rộng cơ sở: B = 1650 (mm)
Khoảng cách giữa hai tâm trụ đứng: B0 = 1510 (mm)
Chiều dài cơ sở của xe: L = 2650 (mm)
Chiều dài toàn bộ xe: L0= 4489 (mm)
Trọng lượng tác dụng lên cầu trước dẫn hướng: G1 = 13600 (N)
Trọng lượng tác dụng lên một bánh dẫn hướng: Gbx = 6800 (N)
Thông số hệ thống lái:
Chiều dài đòn bên hình thang lái: m = 180 (mm)
Khoảng cách giữa đòn ngang và trụ trước: y = 188 (mm)
Chiều dài thanh nối bên hình thang lái: p = 280 (mm)
Chọn phương án thiết kế
Đặc điểm xe ô tô con 7 chỗ :
- Vận hành trên mặt đường tốt, điều kiện thuận lợi.
2.1 Chọn phương án dẫn động lái
Dẫn động lái bao gồm tất cả các cơ cấu truyền lực từ cơ cấu lái đến ngõng quay của các bánh xe dẫn hướng.
Hình thang lái là yếu tố cơ bản của dẫn động lái Với ôtô có hệ thống treo trước độc lập và cơ cấu lái loại trục răng thanh răng, thanh răng có thể đồng thời đảm nhận chức năng của thanh lái ngang trong hình thang lái Quá trình quay vòng của xe rất phức tạp vì để đảm bảo mối quan hệ động học giữa bánh xe phía trong và phía ngoài khi quay vòng là một thách thức; hiện nay mối quan hệ động học đó được đáp ứng gần đúng bằng hệ thống khâu khớp và đòn kéo, tạo nên hình thang lái Do đó, phương án dẫn động lái 6 khâu cho hệ thống treo độc lập được chọn.
Hình 2.1 Sơ đồ dẫn động lái
2.2 Chọn phương án cơ cấu lái
Hiện nay trên các xe chủ yếu sử dụng hai loại cơ cấu lái là cơ cấu lái loại trục răng - thanh răng và cơ cấu lái loại bi tuần hoàn Cơ cấu lái trục răng - thanh răng mang lại độ chính xác cao và phản hồi lái sắc nét, giúp người lái kiểm soát bánh xe dễ dàng khi vào cua và ở các tốc độ khác nhau Ngược lại, cơ cấu lái bi tuần hoàn được đánh giá là bền bỉ và ít bị mòn theo thời gian, phù hợp với các loại xe tải hoặc xe hành khách có yêu cầu độ bền cao Việc lựa chọn giữa hai loại cơ cấu lái phụ thuộc vào mục tiêu vận hành, điều kiện lái và cấu hình xe, nhằm tối ưu hóa an toàn và hiệu suất lái.
* Cơ cấu lái trục răng – thanh răng có những ưu điểm sau:
Cơ cấu lái được thiết kế đơn giản và 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
và dựa vào điều kiện làm việc của ôtô, ta chọn phương án cơ cấu lái là loại trục răng thanh răng
Hình 2.2 Sơ đồ chung của hệ thống lái thiết kế
1 Đòn quay ngang; 2 Khớp cầu; 3 Cơ cấu lái; 4 Thanh dẫn động;
5 Vành tay lái; 6 Trục lái
Thiết kế hệ thống lái
3.1 Tính mô men cản quay vòng
Mômen cản quay vòng ở các bánh xe dẫn hướng được xác định ở trạng thái xe quay vòng và mang tải đầy đủ Mômen này được tính toán khi xuất hiện lực cản lăn ở hai bánh ngược chiều nhau, đồng thời có một lực bên Y và mômen ổn định của bánh dẫn hướng Khi đó mômen cản quay vòng trên một bánh dẫn hướng Mc bằng tổng các thành phần M1 là mômen cản lăn, M2 là mômen ma sát giữa bánh xe và mặt đường và M3 là mômen ổn định do các góc đặt của các bánh xe và trụ đứng.
3.1.1 Mô men cản quay vòng M 1 gây nên do lực cản lăn
- M1 được tính theo công thức:
+ a: cánh tay đòn của lực Pf quay xung quanh trụ đứng.
Với xe thiết kế ta đo được 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 x
Hình 2.3 Sơ đồ trụ đứng nghiêng trong mặt phẳng ngang
3.1.2 Mô men cản M 2 do ma sát giữa bánh xe và mặt đường
Giá trị mô-men do lực Y gây lên M2 được tính cho một bánh xe, dựa trên phản lực bên lùi sau một đoạn x từ điểm tiếp xúc Độ dài x được xác định bằng 1/4 chiều dài của vết tiếp xúc và gây ra mô-men quay có cùng chiều với M1.
M2 = Y x (2.3) Trong đó: + x là khoảng cách từ tâm vết tiếp xúc với hợp lực ma sát:
(2.4) Với r là bán kính tự do của bánh xe dẫn hướng:
(mm) (2.5) Với bánh xe có ký hiệu 215/70 R16 ta tính được:
+ rbx là bán kính làm việc trung bình của bánh xe:
Với y = 0,85: hệ số bám ngang giữa bánh xe và mặt đường
Hình 2.4 Sơ đồ lực ngang tác dụng lên bánh xe khi xe quay vòng
+ Mômen ổn định M3 có giá trị nhỏ nên khi tính có thể dùng hệ số
Mômen cản tổng cộng trên cầu trước dẫn hướng được tính toán như sau:
Giá trị theo kinh nghiệm 1,07 - 1,15 Chọn = 1,1
= 0,5 - 0,7 hiệu suất tính đến tổn hao ma sát, chọn = 0,7
Thay số vào (2.8) ta có: Mc = 1040 (N.m)
3.2 Tỷ số truyền của hệ thống lái
3.2.1 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: id = 0,85-1,1
Chọn sơ bộ: id =1 ( cho cầu dẫn hướng )
3.2.2 Tỷ số truyền của cơ cấu lái i c
Ta có công thức: ’max = max.i (2.9)
+ ’max: gọi là vòng quay vành lái lớn nhất tính từ vị trí đi thẳng.
Với xe thiết kế là xe du lịch ta chọn ’ max = 1,75 (vòng)
+ max: góc quay vòng lớn nhất của bánh xe dẫn hướng ( 40 o )
Ta lấy sơ bộ tỷ số truyền của hệ thống lái i
Tính lại ’max,ta có: (vòng), phù hợp với tiêu chuẩn thiết kế.
Do tỷ số truyền của dẫn động lái id=1, nên tỷ số truyền của cơ cấu lái ic = 16
3.2.3 Xác định lực tác động lớn nhất ở vành tay lái
+ Mc: là mô men cản quay vòng Mc40 (Nm)
+ Pmax là lực tác dụng lớn nhất lên vành tay lái.
+ il: là tỷ số truyền của hệ thống lái.
+ R: là bán kính vành lái, R0 (mm)
+ : là hiệu suất của hệ thống lái =0,8
Với PVL này, người lái có thể cảm thấy mỏi mệt khi điều khiển xe trong một khoảng thời gian dài Vì vậy, việc sử dụng hệ thống trợ lực lái là cần thiết để giảm tải cho người lái, cải thiện cảm giác lái và mang lại sự thoải mái tối ưu xuyên suốt hành trình Việc tích hợp hệ thống trợ lực lái không chỉ nâng cao hiệu suất vận hành mà còn tăng cường trải nghiệm người lái bằng phản hồi nhẹ nhàng, ổn định và dễ kiểm soát.
3.3 Chọn phương án cường hóa lái
Với thực tế và những vấn đề về cường hóa lái đã được giới thiệu ở phần trước, ta chọn phương án thiết kế cường hóa như sau:
- Phương án cường hóa lái là cường hóa thủy lực.
- Chọn bơm là bơm cánh gạt.
- Phương án bố trí là sơ đồ 4: Bố trí trợ lực cùng với đòn kéo ngang.
- Chọn van điều khiển là loại van xoay.
Việc chọn phương án cơ cấu lái là trục răng – thanh răng kết hợp với dẫn động lái 6 khâu cho phép hình thành một sơ đồ bố trí chung cho hệ thống lái thiết kế Sơ đồ này thể hiện cách các thành phần liên kết với nhau: trục răng – thanh răng truyền động quay thành chuyển động tịnh tiến, đồng thời sự phối hợp của 6 khâu dẫn động đảm bảo điều khiển lái nhạy bén, ổn định và an toàn Thiết kế hệ thống lái dựa trên sơ đồ bố trí này nhằm tối ưu hóa hiệu suất điều khiển, đáp ứng nhanh với vận hành thực tế và dễ bảo dưỡng.
Hình 2.5 Sơ đồ bố trí chung hệ thống lái thiết kế
* Nguyên lý hoạt động của hệ thống:
Khi quay vành lái một góc, lực từ vành lái được truyền qua trục lái tới trục răng của cơ cấu lái Mô-men này làm quay trục răng, đẩy thanh răng di chuyển sang trái hoặc phải qua thanh dẫn động và đòn quay bên tác dụng, làm cho bánh xe quay sang trái hoặc sang phải và từ đó thay đổi hướng di chuyển của ôtô Khi lực được đặt vào vô lăng, hệ thống lái sẽ điều chỉnh vị trí bánh xe tương ứng với góc quay của vành lái, giúp ôtô đổi hướng theo mong muốn của người lái.
Khi góc đánh vô-lăng β đạt tới một giá trị xác định được tính trước, hệ thống trợ lực lái bắt đầu hoạt động và sinh ra lực tác dụng lên các bánh xe dẫn hướng, làm chúng quay để tăng cường khả năng điều khiển và giảm lực cần thiết cho người lái.
3.4 Tính các thông số hình học của dẫn động lái
3.4.1 Tính động học hình thang lái
Nhiệm vụ của tính động học dẫn động lái là xác định các tham số tối ưu của hình thang lái để đảm bảo động học quay vòng của bánh xe dẫn hướng diễn ra với độ chính xác cao và động học của đòn quay đứng được thực hiện đúng ngay cả khi có biến dạng của bộ phận đàn hồi trong hệ thống treo, từ đó lựa chọn các tham số cần thiết cho hệ thống dẫn động lái.
Hình 2.6 Sơ đồ động học khi xe quay vòng
Từ lý thuyết, khi xe quay vòng, hệ thống lái phải đảm bảo mối quan hệ giữa góc quay của bánh xe dẫn hướng ngoài và bánh xe dẫn hướng trong so với tâm quay vòng Theo nguyên lý Ackermann, hai bánh trước sẽ có các góc quay khác nhau sao cho các bánh đều hướng về cùng một tâm quay, nhằm giảm mài mòn lốp và tăng tính ổn định khi vào cua Cụ thể, với chiều dài cơ sở L và chiều rộng cơ sở (track) t, bán kính quay của tâm quay R, ta có tan(delta_inner) = L / (R − t/2) và tan(delta_outer) = L / (R + t/2) Mối quan hệ này cho phép hai bánh trước có góc quay phù hợp bất kể bán kính quay thay đổi, tối ưu hóa lực tác động lên bánh và hệ thống treo Trong thực tế, hệ thống lái sử dụng các cơ cấu như rack-and-pinion hoặc liên kết thanh để duy trì gần đúng quan hệ Ackermann và điều chỉnh góc quay theo tốc độ và tải trọng, giúp xe quay ổn định và tiết kiệm lốp.
+ : Là góc quay của bánh xe dẫn hướng ngoài
+ : Là góc quay của bánh xe dẫn hướng trong
+ L : Là chiều dài cơ sở của xe
+ Bo: Là khoảng cách giữa hai tâm trụ đứng
Trường hợp xe đi thẳng
Hình 2.7 Sơ đồ dẫn động lái khi xe đi thẳng
Từ sơ đồ dẫn động lái trên ta có thể tính được mối liên hệ giữa các thông số theo các biểu thức sau: (2.12)
Các đòn bên được tạo ra với một góc so với phương ngang Khi ôtô quay vòng với các bán kính quay vòng khác nhau, hình thang lái và đòn liên quan không thỏa mãn hoàn toàn mối quan hệ giữa α và β như công thức ở trên Điều này cho thấy sự phụ thuộc của hệ thống lái vào bán kính quay vòng và nhấn mạnh cần xem xét lại mô hình để đảm bảo độ ổn định và cảm giác lái trong thiết kế xe.
Tuy nhiên ta có thể chọn một kết cấu hình thang lái cho sai lệch với quan hệ lý thuyết trong giới hạn cho phép, không vượt quá 1 o
Trường hợp khi xe quay vòng
Hình 2.8 Sơ đồ dẫn động khi xe quay vòng
Ta có các thông số như trên hình vẽ.
Từ sơ đồ ta có mối quan hệ của các thông số như sau:
Từ quan hệ hình học trong tam giác ACD ta có:
Thay vào biểu thức trên ta có:
Từ mối quan hệ hình học trong tam giác ACD ta có:
Thay vào ta có biểu thức sau:
3.4.2 Xây dựng đường đặc tính lý thuyết
Ta có mối quan hệ của các góc quay bánh xe dẫn hướng như sau:
Cho các giá trị khác nhau tư 5 – 40, ta có các góc tương ứng theo bảng:
Từ bảng giá trị thu được ta xây dựng được đồ thị quan hệ lý thuyết:
Hình 2.9 Đồ thị đường đặc tính lý thuyết
3.4.3 Xây dựng đường đặc tính thực tế Để xây dựng đường cong đặc tính hình thang lái thực tế ta phải xây dựng đường cong biểu thị hàm số Ta có mối quan hệ giữa các thông số đó như sau:
Theo các thông số lấy trên xe tham khảo ta có:
- : góc tạo bởi đòn bên hình thang lái và phương ngang
- m = 180(mm): chiều dài đòn bên hình thang lái
- y = 188(mm): khoảng cách giữa đòn ngang với trục trước trong hình thang lái
- p = 280(mm): chiều dài thanh nối bên hình thang lái
Cho lần lượt ta có được bảng số liệu sau:
Ta xõy dựng đồ thị quan hệ và thực tế và lý thuyết trờn cựng đồ thị như sau:
35 Đồ thị đặc tính hình thang lái ở các góc khác nhau ϴ alpha lý thuyếết alpha 1 alpha 2 alpha 3 alpha 4 alpha 5 β α
Hình 2.10 Đường đặc tính thực tế
Ta thấy chỉ có thì
Như vậy, với các tham số tối ưu, đường cong thực tế sẽ gần nhất với đường cong lý thuyết và đồng thời thỏa mãn điều kiện về sai lệch giữa lý thuyết và thực tế Sự khớp cao giữa hai đường cong cho thấy mô hình lý thuyết phản ánh đúng diễn biến thực tế, đồng thời giới hạn sai lệch ở mức cho phép, từ đó tăng tính khả thi và ứng dụng của mô hình trong các bài toán liên quan.
Vì vậy ta chọn được u 0 , ứng với góc quay vòng lớn nhất của bánh xe dẫn hướng là và Độ dài thanh kéo ngang:
3.5 Kiểm tra các thông số hình học của cơ cấu lái
Theo sơ đồ dẫn động lái, khi bánh xe dẫn hướng quay được một góc thì thanh răng dịch chuyển một đoạn X1
Do thanh răng quay về cả hai bên nên chiều dài làm việc của thanh răng
Do đó ta chọn chiều dài làm việc của thanh răng là L 5(mm), để đảm bảo khi xe quay vòng hết thì thanh răng vẫn không bị chạm.
3.5.1 Xác định bán kính vòng lăn của bánh răng
Số vòng quay của vành lái ứng với bánh xe quay là n =1,78 (vòng).
3.5.2 Xác định các thông số của bánh răng
Tính số răng theo tài liệu chi tiết máy.
- Đường kính vòng chia Dc =2.R = 18,2 (mm)
- mn: mô đun pháp tuyến của bánh răng, chọn theo tiêu chuẩn mn = 2,5
- Góc nghiêng ngang của bánh răng, chọn sơ bộ
Ta có số răng của bánh răng là:
Tính lại góc nghiêng ta có:
Mô đun ngang của bánh răng:
Như vậy Zmin>6, do vậy có hiện tượng cắt chân răng nên phải dịch chỉnh, ta chọn kiểu dịch chỉnh đều
Xác định hệ số dịch chỉnh theo công thức:
Từ đó ta tính được các thông số của bộ truyền bánh răng:
Góc ăn khớp của bánh răng được chọn theo chi tiết máy
Đường kính cơ sở của bánh răng:
Chiều dày của răng trên vòng chia:
3.5.3 Xác định kích thước và thông số của thanh răng Đường kính của thanh răng được cắt tại mặt cắt nguy hiểm nhất:
- Ứng suất tiếp xúc cho phép tại tiết diện nguy hiểm nhất, lấy
- Mô mem xoắn gây lên sự nguy hiểm ở thanh răng, bằng mô mem cản quay vòng ở bánh xe: Mx=Mc40 (Nm)
Thay các thông số vào ta được:
Chiều dài đoạn làm việc của thanh răng L5 mm.
Hệ số dịch chỉnh thanh răng:
Đường kính vòng chia của thanh răng:
Đường kính vòng đỉnh của thanh răng: D&mm
Chiều cao của thanh răng: h=(f ’ +f ” ).mn=(1+1,25).2,5=5,63
3.6 Tính bền cơ cấu lái bánh răng - thanh răng
3.6.1 Xác định lực tác dụng lên bộ truyền bánh răng – thanh răng
- Lực vòng cực đại tác dụng lên bánh răng:
- Lực hướng tâm cực đại tác dụng lên bánh răng theo công thức:
- Lực dọc lớn nhất tác dụng lên bánh răng:
Trong quá trình vận hành, thanh răng và bánh răng chịu các loại tải và ứng suất như ứng suất uốn, ứng suất tiếp xúc và tải trọng va đập từ mặt đường, dẫn tới hiện tượng rạn nứt ở chân răng và ảnh hưởng đến độ bền cũng như độ tin cậy của cơ cấu lái Để đáp ứng các yêu cầu làm việc của cơ cấu lái, vật liệu chế tạo thanh răng – bánh răng thường là thép 40X, và tôi đã cải tiến để nâng cao khả năng chống rạn nứt, tăng độ bền và kéo dài tuổi thọ hệ thống truyền động.
Giới hạn bền tiếp xúc của bánh răng:
Ứng suất tiếp xúc cho phép của bánh răng:
+ 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
+ KXH: Hệ số xét ảnh hưởng của kích thước bánh răng, KXH =1
+ KF: Hệ số xét ảnh hưởng của độ bôi trơn, KF =1
Thay các thông số ta được:
Giới hạn bền uốn của bánh răng:
Chọn KFL=1, với bộ truyền quay 2 chiều ta chọn:
Ứng suất uốn cho phép:
+ SF: Hệ số an toàn, lấy SF =1,7
+ YS: Hệ số xét tới ảnh hưởng của mô đun với m = 2,5
Kiểm nghiệm răng về độ bền tiếp xúc:
Theo công thức 6.33 trang 105 [4] ta có:
ZM là hệ số kể đến cơ tính vật liệu của các bánh răng ăn khớp, được tham chiếu từ bảng 6.5 trang 96 [4] Với vật liệu bánh răng là thép, ZM bằng 274 MPa^(1/3), đáp ứng cho các tính toán thiết kế và đánh giá khả năng chịu tải của hệ truyền động.
+ ZH: Hệ số kể đến hình dạng bề mặt tiếp xúc
+ : Hệ số kể đến sự trùng khớp của răng
+ : Hệ số trùng khớp ngang
+ Đường kính thanh răng, & (mm)
+ ic: Tỷ số truyền của cơ cấu lái ic = 16
+ T: Mô men tác dụng từ trục răng (Nmm)
Thay các thông số vào công thức ta được:
Do đó thỏa mãn điều kiện bền tiếp xúc.
Kiểm nghiệm răng về độ bền uốn: Ứng suất uốn được tính theo công thức:
Với YF1,YF2 là hệ số dạng răng.
Chọn: tra theo bảng 6.7 trang 98 [4] với
Thay các thông số đã có vào công thức ta được:
Vậy điều kiện được thỏa mãn, bộ truyền bánh răng – thanh răng đảm bảo đủ bền trong quá trình làm việc.
Trục lái làm bằng thép rỗng được tính theo ứng suất xoắn do lực tác dụng trên vành tay lái: (MN/m 2 ) (2.36)
Plmax: Lực lái lớn nhất tác dụng lên vô lăng Plmax = 430 (N)
D, d : Đường kính trong và đường kính ngoài của trục lái R: Bán kính vành tay lái R = 190 (mm)
Chọn vật liệu chế tạo trục lái là thép C40 không nhiệt luyện, phôi chế tạo là phôi thép ống, ứng suất tiếp xúc cho phép
Chọn sơ bộ kích thước của trục lái là: D0 (mm), d= 20 (mm)
Thay những thông số trên vào công thức (2.36) ta được:
(MN/m 2 ) thoả mãn điều kiện cho phép.
Vậy ta chọn kích thước sơ bộ là kích thước thiết kế.
Với trục lái xe thiết kế, dựa trên số liệu thực tế ta chọn chiều dài của trục lái: L00 (mm)
Ta cần tính toán trục lái theo độ cứng vững (góc xoắn trục) theo công thức: (rad) (2.37)
+ L: Chiều dài của trục lái (m) + G: Mô đun đàn hồi dịch chuyển (G=8.10 4 MN/m 2 ) + đổi ra không được vượt quá
Thay số vào ta được: (rad)
Thoả mãn tiêu chuẩn thiết kế.
Vậy ta chọn trục lái rỗng, có chiều dài là 1(m)
3.8 Tính bền đòn kéo ngang
Trong quá trình làm việc, đòn kéo ngang chỉ chịu lực kéo và nén theo phương dọc trục; vì vậy khi tính bền ta chỉ cần xét các thành phần lực kéo, lực nén và lực tác dụng từ bánh xe Tính bền đòn kéo ngang được thực hiện ở chế độ phanh cực đại để đánh giá khả năng chịu tải và đảm bảo an toàn cho kết cấu.
G1600 N: Tải trọng đặt lên cầu trước dẫn hướng trong trạng thái tĩnh. m1p = 1,4: Hệ số phân bố lại trọng lượng lên cầu trước khi phanh.
: Hệ số bám giữa lốp và mặt đường.
Thay vào biểu thức ta được: Ppmax = 13600.1,4.0,85 = 16184 (N)
Hình 2.11 Sơ đồ phân bố lực phanh.
Qua sơ đồ phân tích lực ta có: (2.39)
AB, c: là các kích thước trên hình vẽ.
Q Q N Ứng suất nén dọc của thanh ngang liên kết được xác định theo công thức:
P = Q1 = 5608,38(N): Lực tác dụng theo phương của đòn ngang.
Diện tích của thanh ngang Đòn kéo ngang được chế tạo bằng thép ống 40X, có đường kính ngoài và trong lần lượt là: D mm; d=5mm.
Với hệ số dự trữ bền ổn định n =1,5 ta có
Thay số vào ta được:
Vậy đòn kéo ngang đảm bảo độ bền và ổn định.
3.9 Tính bền đòn bên hình thang lái Để đảm bảo an toàn và tính ổn định trong quá trình làm việc, đòn bên được làm bằng thép 40X Đòn bên của dẫn động lái chủ yếu chịu ứng suất uốn
Do vậy ta tính bền theo điều kiện uốn:
Ta kiểm tra ứng suất uốn tại vị trí nguy hiểm nhất tại chỗ giao nhau giữa hai tiết diện, tại điểm A:
Theo tài liệu chuyên ngành lấy hệ số an toàn n=1,5 và với thép 40X thì ta có:
Vậy = 529