7 Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống lái 4 bánh four Wheels Steering 4WS Ở trên các ô tô con hiện đại bố trí cơ cấu lái điều khiển tất cả các bánh xe thỏa mãn cả 2 yêu cầu: cơ động và ổn định tứ
TỔNG QUAN ĐỂ TÀI
Tính cấp thiết của đề tài
Hệ thống lái ô tô đã trải qua quá trình cải tiến liên tục từ khi xe hơi ra đời, nhằm nâng cao tiêu chuẩn về an toàn, tiện nghi và cảm giác lái Các cải tiến này giúp xe vận hành an toàn hơn, mang lại trải nghiệm lái thoải mái và phù hợp với nhiều điều kiện giao thông khác nhau.
Theo thống kê của các cơ quan đường bộ, phần lớn các vụ tai nạn giao thông xảy ra khi xe đang vào cua, đặc biệt tại những khúc cua tay áo hoặc khi xe bất ngờ chuyển hướng để tránh chướng ngại vật Chính vì vậy, giảm tốc độ khi tiếp cận các đoạn cua và chú ý quan sát là yếu tố quan trọng để đảm bảo an toàn khi lái xe Các biện pháp an toàn như giữ khoảng cách hợp lý và kiểm soát tốc độ giúp giảm thiểu nguy cơ tai nạn tại các cung đường có cua gấp.
Khi xe vào cua, có ba trường hợp đánh lái chuyển hướng phổ biến là đúng lái, thừa lái (Oversteer) và thiếu lái (Understeer) Cả thừa lái và thiếu lái đều làm cho xe không đi đúng hướng mong muốn mà lệch khỏi cung đường ban đầu, ảnh hưởng đến an toàn lái xe Hiểu rõ các tình huống này giúp người lái kiểm soát xe tốt hơn và đảm bảo an toàn giao thông.
Oversteer thường xảy ra khi xe vào cua quá nhanh, khiến đuôi xe văng ra phía trước do lực bám đường ở bánh sau yếu hơn bánh trước Khi đó, đuôi xe bắt đầu trượt về phía trước và đầu xe hướng vào trong khúc cua, làm giảm bán kính quay vòng của xe.
Hiện tượng Understeer xảy ra khi xe vào cua với tốc độ cao, làm đầu xe bị đẩy ra ngoài và bánh trước kém bám đường hơn bánh sau, khiến xe không thể rẽ đúng hướng mong muốn Ngược lại, Understeer làm tăng bán kính quay vòng, khiến xe khó kiểm soát khi vào cua Để khắc phục tình trạng này, các nhà sản xuất xe hơi đã phát triển hệ thống ổn định thân xe như hệ thống cân bằng điện tử ESP (Electronic Stability Program), giúp phát hiện và xử lý các hiện tượng bánh xe bị trượt dọc bằng cách giảm ga hoặc can thiệp vào phân phối lực phanh, từ đó đảm bảo an toàn và ổn định khi lái xe.
Hệ thống ABS (chống bó phanh) sẽ tự động kích hoạt khi phát hiện xe bị trượt bánh Trong quá trình này, hệ thống nhấp phanh tự động trong 1 giây, thực hiện hơn 20 lần để giảm tốc độ quay của bánh xe bị trượt Nhờ đó, hệ thống giúp xe duy trì sự ổn định và kiểm soát tốt hơn trong các tình huống phanh gấp hoặc trượt bánh.
Khi hệ thống ESP và ABS hoạt động, tốc độ xe sẽ giảm, điều này làm mất đi cảm giác lái phấn khích và giảm sự hứng thú cho những người đam mê tốc độ, đặc biệt trên những dòng xe hiệu suất cao.
Để đảm bảo an toàn và nâng cao cảm giác lái, hệ thống lái cần được tác động một cách phù hợp nhằm hạn chế hiện tượng thừa lái (Oversteer) và thiếu lái (Understeer) Áp dụng các giải pháp tối ưu trong hệ thống dẫn hướng giúp cải thiện khả năng kiểm soát xe, tăng trải nghiệm người lái và đảm bảo an toàn trên mọi cung đường Tăng cường điều chỉnh hệ thống lái không những đảm bảo sự ổn định của xe mà còn đáp ứng các yêu cầu về an toàn và cảm giác lái lý tưởng.
Mục đích của đề tài là làm quen với công tác nghiên cứu khoa học, củng cố và mở rộng kiến thức chuyên môn về xử lý các vấn đề liên quan đến an toàn sử dụng ô tô Đề tài góp phần nâng cao hệ thống lái, giúp nó trở nên nhanh nhạy, chính xác và an toàn hơn, đồng thời mang lại cảm giác thoải mái hơn cho người lái Nhóm nghiên cứu đã quyết định chọn đề tài “THIẾT KẾ” nhằm phát triển các giải pháp cải tiến hệ thống lái ô tô để đảm bảo an toàn và nâng cao trải nghiệm người dùng.
CHẾ TẠO MÔ HÌNH HỆ THỐNG LÁI 4 BÁNH (AWS)”
Tình hình nghiên cứu
Việc nghiên cứu hệ thống lái 4WS đang thu hút sự quan tâm của nhiều tác giả trong và ngoài nước Trong nước, một số nhà khoa học đã tập trung khảo sát chuyển động của ô tô bốn bánh dẫn hướng, nhằm nâng cao hiệu suất và tính an toàn của hệ thống lái này.
Năm 2007, tác giả Phạm Quang Hưng đã nghiên cứu mô phỏng hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng dành cho xe ô tô con, giúp hiểu rõ quá trình hoạt động của hệ thống lái trong các trường hợp điển hình Tuy nhiên, luận văn chưa phát triển được các mô hình tính toán động lực học của ô tô, mà chủ yếu tập trung vào mô phỏng chức năng và quá trình làm việc của hệ thống lái Đây là bước tiến quan trọng trong việc nghiên cứu hệ thống lái bốn bánh, góp phần nâng cao hiểu biết về điều khiển và vận hành xe ô tô.
Năm 2008, tác giả Lê Ngọc Trung đã tiến hành nghiên cứu về “Mô phỏng quỹ đạo chuyển động của ô tô bốn bánh dẫn hướng,” nhằm phân tích chuyển động của các loại ô tô dẫn hướng Đề tài này đã khảo sát cụ thể chuyển động của ô tô bốn bánh xe dẫn hướng và ô tô hai bánh xe dẫn hướng, giúp làm rõ các yếu tố ảnh hưởng đến quỹ đạo di chuyển Tuy nhiên, nghiên cứu chưa xác định rõ mối quan hệ giữa góc quay của các bánh xe dẫn hướng trước và sau trong các trường hợp khảo sát, còn đó là một vấn đề cần được giải thích thêm để nâng cao tính toàn diện của đề tài.
Tác giả Hồ Hữu Hải năm 2006 đã nghiên cứu hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng nhưng chỉ đề cập ở một vết của bánh xe
Các tác giả nước ngoài đã nghiên cứu về hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng qua các phân tích động lực học quay vòng, kết hợp mô phỏng trên phần mềm, như đề tài “Development of four wheel steering system for car” năm 2013 của K Lohith và Dr S.R Shankapal Họ đã mô phỏng hệ thống này dựa trên xe tiêu chuẩn hai bánh dẫn hướng bằng phần mềm ADAM Kết quả cho thấy, hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng giúp giảm bán kính quay vòng của xe gần 50% so với xe có hệ thống dẫn hướng truyền thống hai bánh, mang lại lợi ích lớn trong khả năng quay và linh hoạt của xe.
Việc tiếp cận các nghiên cứu còn gặp nhiều hạn chế do nhiều tác giả chỉ công bố một phần kết quả hoặc không công bố toàn bộ, khiến cho việc phân tích và hiểu rõ nội dung trở nên khó khăn.
Hệ thống lái 4 bánh đã được các nhà sản xuất ô tô hàng đầu thế giới nghiên cứu từ năm 1989, với một số mẫu xe như Honda Prelude, Peugeot 405 Turbo 16, BMW 8 Series (E31), Nissan Bluebird, Mazda Capella (626), Mazda MX-6, Chevrolet Silverado, Chevrolet Suburban trang bị hệ thống này, tuy nhiên ban đầu gặp hạn chế do công nghệ điều khiển còn thô sơ Đến gần đây, nhờ sự phát triển của công nghệ vi tính và hệ thống điều khiển “wire by wire” của ZF và Porsche, những chiếc xe như Porsche 911 Turbo và 911 GT3 đã thành công trong việc tích hợp hệ thống lái 4 bánh Hiện tại, với việc ZF đưa công nghệ này vào sản xuất hàng loạt, trong tương lai không xa, bên cạnh hệ thống ESP, các xe phổ thông trung cấp sẽ được trang bị công nghệ lái 4WS để nâng cao khả năng vận hành và an toàn.
Mục tiêu đề tài
- Là một cơ hội lớn mà nhà trường giúp sinh viên củng cố lại các kiến thức đã học được trong suốt thời gian học tại trường
Phát triển khả năng làm việc độc lập và kỹ năng giải quyết vấn đề cho sinh viên là yếu tố quan trọng để nâng cao hiệu quả học tập và phát triển bản thân Sinh viên cũng không ngừng cố gắng, luôn phấn đấu để đạt được mục tiêu cá nhân và mục tiêu học tập của mình Điều này giúp sinh viên tự tin hơn trong quá trình học tập và chuẩn bị tốt cho sự nghiệp tương lai.
- Trang bị thêm kiến thức thực tế cho sinh viên để khi ra trường đi làm sẽ không còn bỡ ngỡ khi tiếp xúc công việc thực tế
- Hiểu rõ các kiến thức về từng bộ phận, từng cơ cấu trong hệ thống lái để có cách khắc phục, sửa chữa hợp lý
Mô hình được thiết kế phải hoạt động hiệu quả như một công cụ hỗ trợ nghiên cứu của sinh viên và giảng dạy của giảng viên các trường Đại Học, Cao Đẳng.
Nội dung đề tài
1 Tìm hiểu và phân tích cơ sở lý thuyết hệ thống đánh lái 4 bánh trên ô tô
2 Phân tích các vấn đề, các hư hỏng thường gặp ở hệ thống
3 Tìm hiểu và phân tích các nguyên lý hoạt động của hệ thống đánh lái 4 bánh
4 Thiết kế và gia công các chi tiết của hệ thống lái 4 bánh
5 Thực hiện lắp đặt mô hình hệ thống lái 4 bánh
6 Báo cáo quá trình thực hiện mô hình.
Phương pháp nghiên cứu
Trong quá trình làm đề tài đồ án tốt nghiệp của mình thì chúng em đã thực hiện theo phương pháp nghiên cứu sau:
Bạn cần tìm hiểu kỹ các tài liệu kỹ thuật về hệ thống lái 2 bánh và hệ thống lái 4 bánh trên ô tô để nắm vững nguyên lý hoạt động và cấu tạo Ngoài ra, nghiên cứu các đồ án của các khóa trước giúp hiểu rõ hơn về thiết kế và ứng dụng thực tế của các hệ thống này trong ngành công nghiệp ô tô Việc nắm rõ các kiến thức này sẽ hỗ trợ quá trình phát triển và nâng cao kỹ năng trong lĩnh vực kỹ thuật ô tô.
Tìm kiếm các tài liệu và thông tin trên mạng internet, các website của các Trường Đại Học Kỹ Thuật trong nước và các website nước ngoài
So sánh và chắt lọc những tài liệu cần thiết liên quan đến đề tài đồ án
Tham khảo ý kiến của các thầy trong ngành ô tô, các thợ sửa xe, những người có kinh nghiệm lâu năm trong ngành
Sử dụng phần mềm Solidwork để mô phỏng hệ thống lái 4 bánh
Sử dụng phần mềm Autocad để thiết kế các chi tiết của mô hình
1.6 Kết quả đạt được của đề tài
Đã vận dụng được các kiến thức đã học vào quá trình làm đồ án tốt nghiệp
Thiết kế, lắp đặt, vận hành thành công mô hình hệ thống lái 4 bánh trên ô tô
Biết thêm về cách sử dụng các công cụ, dụng cụ, máy móc trong quá trình thiết kế và chế tạo mô hình
Mở rộng kiến thức về mảng thiết kế ô tô cụ thể là hệ thống lái.
Kết cấu của đồ án tốt nghiệp
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA HỆ THỐNG LÁI 4 BÁNH
Tổng quan hệ thống lái 4 bánh trên ô tô
2.1.1 Giới thiệu hệ thống lái 4 bánh (4WS)
Hệ thống lái đóng vai trò quan trọng trong việc điều hướng và kiểm soát chuyển động của ô tô, đảm bảo an toàn giao thông khi xe vận hành Các thành phần của hệ thống lái, từ vành lái đến các cơ cấu điều hướng toàn bộ xe, phối hợp cùng các hệ thống kiểm soát khác để vận hành xe một cách linh hoạt và chính xác Để nâng cao khả năng cơ động và giảm bán kính quay vòng, hiện nay đã phát triển hệ thống lái 4 bánh dẫn hướng, cho phép xe quay vòng with b bán kính nhỏ hơn so với hệ thống 2 bánh trước dẫn hướng Tùy vào tốc độ, các bánh xe dẫn hướng có thể quay cùng chiều hoặc ngược chiều nhau để tối ưu hóa bán kính quay vòng và đảm bảo an toàn, đặc biệt khi xe di chuyển ở tốc độ cao, hạn chế hiện tượng quay vòng thừa và tác động tiêu cực đến độ ổn định của xe Chính vì vậy, hệ thống lái toàn bánh xe của ô tô con thường được điều chỉnh dựa trên tốc độ để đảm bảo khả năng vận hành an toàn và linh hoạt trong mọi điều kiện giao thông.
Hệ thống lái 4 bánh (4WS - Four Wheels Steering) là công nghệ hiện đại trên ô tô giúp điều khiển tất cả các bánh xe để nâng cao cả tính cơ động và ổn định khi vận hành Trong đó, các bánh xe phía sau có thể quay cùng chiều hoặc ngược chiều với bánh xe phía trước tùy vào tình huống, nhằm tối ưu hóa khả năng điều khiển và an toàn của xe Các ô tô hiện đại được trang bị cơ cấu lái 4WS, đáp ứng yêu cầu về thao tác linh hoạt và kiểm soát ổn định trên nhiều địa hình khác nhau.
Các xe có hệ thống lái điều khiển tất cả các bánh xe được chia thành hai loại chính: hệ thống điều khiển phụ thuộc vào tải trọng (thụ động) và hệ thống điều khiển chủ động dựa trên vận tốc và góc quay của vành lái Hiện nay, phần lớn xe ô tô trang bị hệ thống lái 4WS (bốn bánh xe) sử dụng công nghệ điều khiển tích cực từ vành lái để nâng cao khả năng điều hướng và an toàn khi lái xe.
2.1.1.1 Hệ thống lái 4WS điều khiển thụ động Điều khiển thụ động phụ thuộc vào tải trọng bố trí trên một số ô tô con và được thực hiện chủ yếu nhờ vào khả năng thay đổi vị trí chuyển hướng của các bánh xe sau theo hệ thống treo Các loại xe có lắp hệ thống lái này đảm bảo tính quay vòng và ổn định trên đường cong ở tốc độ cao Nhưng khi xe chạy thẳng trên đường gồ ghề, tải trọng đặt lên các bánh xe biến đổi làm xấu tính ổn định chuyển động thẳng mặc dù góc quay bánh xe sau là rất nhỏ Các loại ô tô này có khả năng dẫn hướng bánh xe sau thông qua kết cấu hệ thống treo động học mềm hay sử dụng hệ thống treo của cầu xe dẫn hướng Tùy thuộc vào mức độ hoàn thiện kết cấu ô tô, các trạng thái này được xây dựng với các quy luật biến đổi quan hệ giữa các góc quay dẫn hướng trên các cầu khác nhau
Hệ thống điều khiển cầu sau thụ động trên xe Mitsubishi Sigma trước đây sử dụng cấu tạo gồm ba liên kết liên kết mỗi bánh sau: một thanh dọc và hai thanh ngang, được gắn kết bằng các khớp cao su đàn hồi giúp tạo ra cơ cấu điều khiển hướng bánh sau tự động theo các góc tính toán sẵn.
Hình 2.2: Hệ thống điều khiển cầu sau thụ động bố trí trên xe Mitsubishi Sigma [4]
Khi bánh xe dịch chuyển lên xuống theo tải trọng nhỏ, độ chụm bánh xe, góc nghiêng dọc không thay đổi, và tính chất chuyển động của ô tô vẫn được duy trì Các bánh xe sau liên hệ với thân xe qua hệ thống ống thủy lực, và dưới tác động của lực dọc (lực phanh), hệ thống này biến dạng để đẩy bánh sau hướng lên mà không làm thay đổi độ chụm bánh xe Tuy nhiên, khi ô tô quay vòng ở tốc độ cao, lực dọc có thể gây ra sự sai lệch trong độ chụm và góc điều khiển của bánh sau Hiện nay, nhiều loại xe được trang bị hệ thống lái điều khiển tích cực, cho phép hệ thống treo phía sau dẫn hướng bánh xe giống như hệ thống dẫn hướng ở cầu trước Các bánh xe sau cũng sử dụng các cơ cấu lái dạng cơ khí, thủy lực hoặc điện để nâng cao khả năng điều khiển và an toàn của xe.
2.1.1.2 Hệ thống lái 4WS điều khiển tích cực
Hệ thống 4WS được phát triển nhằm nâng cao khả năng ổn định chuyển động ở tốc độ cao cho ô tô con Các loại ô tô này sử dụng kết cấu điều khiển các bánh xe dẫn hướng sau quay cùng chiều với bánh xe trước, giúp cải thiện khả năng cơ động khi vào, ra chỗ đỗ và giữ ổn định ở tốc độ cao Hệ thống 4WS hiện nay được hình thành với 3 trạng thái điều khiển bánh xe cầu sau như hình 2.3, mang lại sự linh hoạt và an toàn tối đa cho xe trong mọi tình huống vận hành.
Hình 2.3: Hệ thống lái 4WS với 3 trạng thái điều khiển bánh xe cầu sau
Ba trạng thái điều khiển cơ bản khi chuyển động:
Trong trạng thái 1, các bánh xe dẫn hướng trước và sau quay ngược chiều nhau giúp xe dễ dàng quay đầu, ra vào chỗ đậu xe và có bán kính quay vòng nhỏ, tối ưu hóa tính linh hoạt và tiện lợi.
- Trạng thái 2: Khi góc quay vành lái sử dụng với tốc độ trung bình, các bánh xe sau khóa cứng tương tự như kết cấu lái truyền thống 2WS (2.3b)
Trạng thái 3 của xe gồm các bánh xe dẫn hướng trước và sau quay cùng chiều, giúp nâng cao khả năng quay vòng thiếu và tối ưu hóa sự ổn định khi vận hành ở tốc độ cao (2.3c) Điều này đảm bảo xe vận hành linh hoạt và an toàn hơn trong các điều kiện tốc độ cao.
Các dạng kết cấu hệ thống lái 4WS
2.2.1 Hệ thống lái 4WS với kết cấu cơ khí
Hệ thống trên xe Honda Prelude 4WS sử dụng bộ truyền cơ khí kiểu vi sai điều khiển dẫn hướng bánh xe sau theo góc quay của vành lái, giúp cải thiện khả năng kiểm soát và linh hoạt Hệ thống treo của xe là hệ thống treo độc lập MacPherson cho cả cầu trước và cầu sau, với các đòn dẫn động lái giúp định hướng bánh xe chính xác Thanh răng của cơ cấu lái trước đồng thời đóng vai trò là đòn ngang và trục dẫn động cho cơ cấu lái sau, tạo sự phối hợp linh hoạt giữa các bánh xe Tỷ số truyền giữa vành lái và trục các đăng là 2:1, nghĩa là vành lái quay gấp đôi so với trục các đăng để điều khiển chính xác hơn Cơ cấu lái dạng bộ truyền hành tinh nhỏ gọn, được dẫn động bằng trục các đăng dài theo chiều dọc của xe, có thiết kế trượt trục nhằm bù đắp biến dạng khi thân xe hoạt động.
Hình 2.4: Hệ thống lái 4WS với kết cấu cơ khí [9]
Gồm:1 Bánh răng hành tinh; 2 Bánh răng bao; 3 Trục các đăng lái; 4 Máng trượt; 5,7 Chốt lệch tâm; 6 Con trượt
Nguyên lý hoạt động của hệ thống lái xe dựa trên việc người lái quay vô lăng với góc nhỏ khi xe chuyển động ở tốc độ cao, giúp các bánh xe dẫn hướng cầu trước và sau quay cùng chiều để duy trì hướng đi chính xác Khi xe vào chỗ đậu hoặc quay ngoặt, góc quay vô lăng lớn hơn, tốc độ xe giảm xuống, khiến các bánh xe dẫn hướng quay ngược chiều nhau nhằm đảm bảo khả năng quay xe linh hoạt và an toàn.
2.2.2 Hệ thống lái 4WS kết cấu thủy lực điện tử
Hệ thống lái trên xe Mazda 626 4WS sử dụng cấu trúc lái bánh răng - thanh răng trợ lực thủy lực cho hệ thống lái cầu trước, giúp tăng độ chính xác và nhẹ nhàng khi điều khiển Cơ cấu lái cầu sau cũng được điều khiển bằng hệ thống thủy lực, đảm bảo khả năng vận hành linh hoạt và ổn định khi xe vận hành.
Hình 2.5: Hệ thống lái 4WS với kết cấu cơ khí - thủy lực - điện xe Mazda 626 [10]
Gồm: 1 Block thủy lực; 2 Công tắc; 3 Ắc quy; 4 Cảm biến tốc độ; 5 Cảm biến góc; 6 ECU; 7 Bơm dầu
Các bánh xe dẫn hướng trước được điều khiển bởi cơ cấu lái bánh răng thanh răng
Hệ thống bánh xe dẫn hướng phía sau sử dụng công nghệ thủy lực - điện tử hiện đại, tăng cường độ chính xác và ổn định khi vận hành Cơ cấu lái sau hoạt động dựa trên nguồn năng lượng từ ắc quy, qua đó truyền động nhờ mô tơ DC và bơm dầu, giúp quản lý dễ dàng và hiệu quả hơn Các giải pháp này góp phần nâng cao hiệu suất và độ bền của hệ thống dẫn hướng, phù hợp với các yêu cầu kỹ thuật hiện đại.
7 Chế độ làm việc của cơ cấu lái sau được điều khiển bởi ECU 6 với các tín hiệu đầu vào là cảm biến tốc độ xe 4, cảm biến vị trí vành lái 5 để ECU điều khiển quay mô tơ bước
Hệ thống hoạt động dựa trên nguyên lý mô tơ bước (hình 2.6), điều khiển quay bánh răng theo vị trí của vành lái Đĩa phân phối chuyển động dựa trên tốc độ của ô tô, giúp truyền lực chính xác Van phân phối hoạt động dựa trên hai trạng thái tín hiệu để mở các đường dầu thủy lực, đẩy đòn ngang, từ đó thực hiện quay các bánh xe dẫn hướng phía sau, đảm bảo vận hành hiệu quả của hệ thống lái.
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
Hình 2.7: Cơ cấu cơ khí - thủy lực - điện xe Mazda 626
Gồm: 1 Bộ điều khiển, 2 Cảm biến góc lái, 3 Đĩa phân phối, 4 Trục điều khiển,
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
2.2.3 Hệ thống lái 4WS điều khiển điện tử cho tất cả các bánh xe dẫn hướng
Hệ thống lái điều khiển bánh xe dẫn hướng sử dụng cơ cấu lái bánh răng- thanh răng có trợ lực thủy lực tại cầu trước, giúp giảm lực vận hành Nguồn năng lượng trợ lực thủy lực được cung cấp bởi một bơm thủy lực số 5, đảm bảo cung cấp dầu liên tục cho hệ thống Đường cấp dầu cho xy lanh lực cầu trước có thêm một nhánh dẫn giúp điều khiển con trượt của van điều khiển cơ cấu lái phía sau, tối ưu hóa quá trình điều khiển Đồng thời, đường dầu điều khiển xy lanh lực số 10 của cơ cấu lái phía sau được vận hành qua một bơm dầu thứ hai, đảm bảo cung cấp dầu đúng áp lực và lượng cần thiết cho hệ thống.
Hiệu quả trợ lực lái giảm khi tăng tốc độ ô tô, giúp dễ dàng vào ra chỗ đậu xe ở tốc độ thấp và mang lại cảm giác lái tốt ở tốc độ cao Khi vượt qua 50 km/h, bánh xe dẫn hướng cầu sau quay cùng chiều với bánh trước để tăng tính ổn định và giảm góc xoay thân xe, hạn chế quay vòng thừa Hệ thống cho phép điều khiển dễ dàng khi vào, ra chỗ đậu xe, đồng thời cung cấp dầu trợ lực riêng biệt cho bánh trước và điều khiển bánh sau để dự phòng sự cố Khi hệ thống khóa cứng bánh sau bằng thủy lực ở vị trí trung tâm, hệ thống lái hoạt động như 2WS thông thường, đảm bảo an toàn và ổn định cho xe.
Hình 2.8: Hệ thống lái 4WS trên xe BMW 7-Series [8]
Hệ thống lái 4WS của xe BMW được biểu diễn trong hình 2.8, cho thấy bố trí chung của hệ thống Hệ thống sử dụng cảm biến tốc độ xe và góc quay vành lái để kiểm soát liên tục nhằm đảm bảo vận hành chính xác Cảm biến góc quay vành lái được đặt trong bộ giảm tốc trợ lực lái, trong khi cảm biến tốc độ lấy dữ liệu từ cảm biến tốc độ bánh xe ABS ở các bánh dẫn hướng phía trước hoặc sau.
Hệ thống điều khiển trong ECU xử lý các tham số để tìm chế độ tối ưu trong việc điều hướng bánh xe theo các trạng thái tức thời, nâng cao khả năng lái xe linh hoạt Các bánh xe sau được chuyển hướng nhờ hệ thống điều khiển điện - thủy lực kết hợp các mạch lặp điều khiển chính xác, đảm bảo phản hồi nhanh chóng và chính xác Trong quá trình vận hành, các vòng lặp kiểm soát liên tục đánh giá khả năng ổn định quay vòng của ô tô, giúp duy trì sự cân bằng và an toàn khi lái Đặc điểm nổi bật của hệ thống 4WS trên xe BMW chính là khả năng điều chỉnh linh hoạt các góc lái của bánh xe sau, tối ưu hóa khả năng vận hành và mang lại trải nghiệm lái xe mượt mà, chính xác hơn.
- Trong vùng gia tốc bên an toàn chuyển hướng của các bánh xe sau thực hiện với góc nhỏ không đáng kể, góc quay lớn nhất đạt tới 4,5 o
Trong vùng gia tốc trung bình và cao, hệ thống lái xe tự động hoạt động theo chương trình đã được lập trình sẵn, đảm bảo ô tô vận hành ổn định mà không cần sự can thiệp của người lái có kinh nghiệm, nâng cao an toàn và hiệu quả trong quá trình điều khiển.
2.2.4 Hệ thống lái 4WS điều khiển điện cơ khí
Hình 2.9: Hệ thống lái 4WS điều khiển điện
Gồm: 1 Cảm biến tốc độ bánh xe; 2 Cảm biến gia tốc bên; 3 Bộ điều khiển sau; 4 Bộ trợ lực điện; 5 Cảm biến góc quay và mô men vành lái
Hệ thống lái 4WS đã chuyển sang sử dụng các kết cấu cơ khí - điện điều khiển chuyển hướng của các bánh xe dẫn hướng, phù hợp với sự phát triển của ngành công nghiệp điện - điện tử Sơ đồ bố trí hệ thống lái 4WS thể hiện rõ cấu trúc điều khiển các bánh xe dẫn hướng, đặc biệt là hệ thống điều khiển cầu sau dẫn hướng trên các mẫu xe sedan của Volkswagen, Renault, Chevrolet và Porsche Hệ thống này sử dụng bộ trợ lực điện với mô tơ bước 4 trên cầu trước, giúp nâng cao độ chính xác và phản ứng của hệ thống lái.
Hệ thống điều khiển chuyển hướng của xe sử dụng mô tơ bước được lắp đặt trên cầu sau để điều khiển các bánh xe dẫn hướng Để hoạt động hiệu quả, ECU cần nhận các tín hiệu từ cảm biến tốc độ, cảm biến gia tốc bên, cảm biến mô men trên trục lái và cảm biến góc quay trục lái Các cảm biến này giúp xác định trạng thái mong muốn của người lái, điều chỉnh sự quay vòng và cung cấp trợ lực cho cơ cấu lái trước Ngoài ra, hệ thống còn sử dụng cảm biến tốc độ ô tô, cảm biến gia tốc bên và cảm biến góc quay thân xe để điều khiển chế độ chuyển hướng của các bánh xe sau thông qua mô tơ bước.
Yêu cầu hệ thống lái
Hệ thống lái phải đảm bảo những yêu cầu chính sau:
+ Giữ chuyển động thẳng, ổn định
+ Đảm bảo cho xe quay vòng ngoặt trên diện tích bé, thời gian ngắn
+ Động học quay vòng phải đúng, để các bánh xe không bị trượt
+ Lái phải nhẹ nhàng, thuận tiện
+ Giảm va đập từ mặt đường lên vô lăng
Hệ thống treo được thiết kế để hạn chế tối đa ảnh hưởng đến hệ thống lái, giúp duy trì khả năng điều chỉnh hướng xe chính xác ngay cả khi vận hành trên địa hình xấu Điều này đảm bảo an toàn và ổn định cho người lái trong mọi điều kiện đường sá Việc tối ưu hóa liên kết giữa hệ thống treo và hệ thống lái là yếu tố quan trọng để duy trì kiểm soát xe, đặc biệt trên các cung đường khó khăn.
Phân loại hệ thống lái
Có nhiều cách phân loại hệ thống lái:
Phân loại theo số lượng cầu dẫn hướng:
+ Các bánh dẫn hướng ở cầu trước
+ Các bánh dẫn hướng ở cầu sau
+ Các bánh dẫn hướng ở tất cả các cầu
Phân loại hệ thống lái theo kiểu truyền lực:
+ Hệ thống lái cơ khí
+ Hệ thống lái có trợ lực bằng thuỷ lực, bằng khí nén, hoặc kết hợp…
Phân loại theo kết cấu của cơ cấu lái:
+ Cơ cấu lái loại liên hợp (trục vít, ê cubi, cung răng)
Phân loại theo 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).
Kết cấu hệ thống lái
2.5.1 Hệ thống lái kiểu bánh răng – thanh răng
Hệ thống lái thanh răng – bánh răng (hình 2.10) được sử dụng phổ biến trên xe du lịch và một số xe thương mại nhẹ do đặc điểm đơn giản, gọn nhẹ và hiệu quả cao.
Hình 2.10: Hệ thống lái bánh răng - thanh răng
Hệ thống lái gồm vô lăng, trục (cột) tay lái và hộp cơ cấu lái kiểu bánh răng trụ chéo – thanh răng, đóng vai trò là đòn kéo ngang của hình thang lái Các đầu của thanh răng tác động trực tiếp lên các bánh xe dẫn hướng, giúp điều chỉnh hướng đi của xe một cách chính xác và an toàn.
Vô lăng gồm các bộ phận chính như vành tay lái, vỏ bọc thân xốp, còi và túi khí, đóng vai trò quan trọng trong hệ thống an toàn của ô tô Trong trường hợp va chạm trực diện, túi khí sẽ kích hoạt để bảo vệ người lái, trong khi người lái sẽ tiếp xúc với vô lăng dưới tải trọng lớn, giúp giảm thiểu rủi ro chấn thương.
Khi lái xe, vô lăng liên tục chịu lực tác động từ thao tác của người điều khiển, đòi hỏi cấu trúc của nó phải chắc chắn và nhẹ Vô lăng được thiết kế từ kim loại nhẹ như nhôm hoặc magiê, sử dụng công nghệ đúc để đảm bảo trọng lượng hợp lý và độ bền cao Trong trường hợp va chạm, vô lăng cần có khả năng hấp thụ năng lượng lớn mà không gây vỡ để bảo vệ người lái, chủ yếu thông qua việc làm biến dạng vùng vành dưới của vô lăng nhờ vào thiết kế phù hợp và kết nối chắc chắn với khung xương trung tâm của vô lăng.
Túi khí là thiết bị thụ động trên ô tô giúp giảm thiểu chấn thương cho người ngồi khi xảy ra va chạm Theo thống kê tại Mỹ, hệ thống túi khí có thể giảm nguy cơ thương vong lên đến 30% Khi xe gặp sự cố, túi khí sẽ nhanh chóng phồng lên để tạo đệm hơi, giảm tác động trực tiếp lên hành khách, rồi sập xuống tức thì Ở nhiều quốc gia, túi khí đã trở thành trang bị bắt buộc cùng với dây đeo an toàn để tăng cường an toàn cho hành khách khi lái xe.
Trục lái chính có vai trò truyền mô men quay từ pa lăng đến hộp cơ cấu lái, đảm bảo hoạt động chính xác của hệ thống lái xe Đầu trục truyền động chính có hình côn và răng cưa, giúp truyền sức mạnh hiệu quả, trong khi vô lăng được cố định vào trục truyền động bằng đai ốc nhằm duy trì sự ổn định trong quá trình điều khiển Ống đỡ có tác dụng cố định trục lái vào thân xe, đảm bảo hệ thống lái hoạt động bền bỉ và chính xác trong các điều kiện vận hành khác nhau.
Phần dưới của trục lái chính kết nối với hộp cơ cấu lái bằng khớp nối đàn hồi, giúp giảm thiểu rung động truyền từ mặt đường vào vô lăng xe ô tô This design enhances驾驶舒适性 và kiểm soát xe tốt hơn, đồng thời bảo vệ các bộ phận lái khỏi hao mòn sớm do rung động.
Dẫn truyền động lái (hình 2.14) chịu trách nhiệm truyền chuyển động điều khiển từ hộp số lái đến hai cơ cấu lái của hai bánh xe, đảm bảo rằng khi quay phải, các bánh dẫn hướng thực hiện quan hệ chuyển động chính xác Hệ thống này duy trì quan hệ quay cần thiết của các bánh xe dẫn hướng thông qua kết cấu của hình thang lái, giúp xe vận hành ổn định và chính xác trong quá trình điều khiển.
Hệ thống truyền động lái bao gồm các thành phần chính như thanh truyền động và khớp thanh truyền, đóng vai trò quan trọng trong việc truyền lực và điều khiển hướng xe Cấu tạo và bố trí các hệ thống truyền lực khác nhau phụ thuộc vào kết cấu khung gầm của từng loại xe, nhằm tối ưu hóa hiệu suất vận hành và độ an toàn khi lái.
2.5.2 Các loại cơ cấu lái khác
2.5.2.1 Cơ cấu lái trục vít con lăn
Loại cơ cấu lái này hiện nay được sử dụng rộng rãi nhất Trên phần lớn các ôtô Liên
Xô loại có tải trọng bé và tải trọng trung bình đều đặt loại cơ cấu này
Hình 2.15 trình bày cơ cấu lái loại trục vít con lăn, trong đó trục vít 1 ăn khớp với con lăn 2 có ba ren, góp phần chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến chính xác Cơ cấu này sử dụng ổ bi kim của trục 3 của đòn quay đứng để đảm bảo độ trơn tru và bền bỉ trong quá trình vận hành.
Số lượng ren của loại cơ cấu lái trục vít con lăn có thể là một, hai hoặc ba tuỳ theo lực truyền qua cơ cấu lái
Hình 2.15: Cơ cấu lái trục vít
Gồm: 1 Trục đòn quay đứng; 2 Đệm điều chỉnh; 3 Nắp trên; 4 Vít điều chỉnh;
5 Trục vít; 6 Đệm điều chỉnh; 7 Con lăn; 8 Trục con lăn
* Ưu điểm: Cơ cấu lái loại trục vít - con lăn được sử dụng rộng rãi trên các loại ô tô do có ưu điểm:
- Hiệu suất cao do thay thế ma sát trượt bằng ma sát lăn;
Điều chỉnh khe hở ăn khớp đơn giản và có thể thực hiện nhiều lần nhờ vào việc bố trí lệch đường trục của con lăn so với trục vít khoảng 5-7 mm Khi dịch chuyển con lăn dọc theo trục quay của đòn quay đứng, khoảng cách A sẽ thay đổi, từ đó làm thay đổi khe hở ăn khớp một cách dễ dàng và chính xác.
2.5.2.3 Cơ cấu lái trục vít chốt quay
Cơ cấu lái loại này gồm hai loại (hình 2):
- Cơ cấu lái trục vít và một chốt quay
- Cơ cấu lái trục vít và hai chốt quay
Hình 2.16: Cơ cấu lái trục vít-chốt quay
1- chốt quay; 2- Trục vít; 3- Đòn quay Ưu điểm:
Cơ cấu lái loại trục vít chốt quay có thể điều chỉnh tỷ số truyền theo yêu cầu trước khi chế tạo, phù hợp với các điều kiện cụ thể Trong quá trình sản xuất, trục vít có thể được thiết kế để có cơ cấu lái chốt quay với tỷ số truyền cố định hoặc thay đổi khi quay vành lái ra khỏi vị trí trung tâm Việc gắn chặt chốt hoặc ngỗng vào đòn quay trung gian ảnh hưởng đến khả năng điều chỉnh tỷ số truyền của hệ thống lái.
Trong hệ thống cơ cấu lái, vít hay đòn quay và trục vít thường sinh ra ma sát trượt gây giảm hiệu suất hoạt động và tăng mòn các bộ phận Để cải thiện hiệu quả và kéo dài tuổi thọ của các bộ phận này, chốt quay được lắp đặt trong ổ bi nhằm giảm ma sát và hạn chế sự mài mòn của trục vít cũng như chốt quay.
Cơ cấu lái này có hiệu suất thuận và nghịch khoảng 0,7, cho thấy khả năng hoạt động hiệu quả trong các điều kiện vận hành khác nhau Được sử dụng chủ yếu trong hệ thống lái không có cường hoá, cơ cấu này phù hợp cho ôtô tải và ôtô khách, đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy cao cho các phương tiện vận chuyển lớn.
Cơ cấu lái trục vít đòn quay với một chốt quay ngày càng trở nên ít phổ biến do áp suất riêng giữa chốt và trục vít lớn, khiến chốt mòn nhanh và có độ chịu mài mòn kém.
Các loại dẫn động lái
Dẫn động lái là hệ thống bao gồm tất cả các bộ phận truyền lực từ cơ cấu lái đến ngõng quay của bánh xe, đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát hướng đi của xe Để đảm bảo an toàn và hiệu quả vận hành, hệ thống dẫn động lái trên xe cần phải đáp ứng các chức năng chính như dẫn hướng chính xác, phản hồi nhanh chóng và đảm bảo độ bền của các bộ phận liên quan Việc duy trì và kiểm tra định kỳ hệ thống dẫn động lái là yếu tố then chốt giúp xe vận hành ổn định và an toàn trên mọi cung đường.
- Nhận chuyển động từ cơ cấu lái tới các bánh xe dẫn hướng
Để đảm bảo hiệu quả hoạt động, cần phải đảm bảo quay vòng của các bánh xe dẫn hướng sao cho không xảy ra hiện tượng trượt bên lớn ở tất cả các bánh xe Đồng thời, việc tạo liên kết chặt chẽ giữa các bánh xe dẫn hướng giúp tăng cường độ ổn định và độ chính xác trong quá trình vận hành của hệ thống.
Hình thang lái, được tạo thành bởi cầu trước, đòn kéo ngang và đòn kéo bên, là phần tử cơ bản của hệ thống dẫn động lái xe Nhờ thiết kế hình thang lái, khi quay vô lăng một góc nhất định, các bánh xe dẫn hướng sẽ quay theo góc phù hợp, giúp xe vận hành chính xác và ổn định trên mọi cung đường.
Hệ thống dẫn động lái 4 khâu
Hình 2.19: Sơ đồ dẫn động lái 4 khâu
Hình thang lái 4 khâu đơn giản là cơ cấu dễ chế tạo, đảm bảo động học và động lực học quay vòng các bánh xe, phù hợp cho xe có hệ thống treo phụ thuộc lắp với dầm cầu dẫn hướng Tuy nhiên, cơ cấu này thường chỉ được sử dụng trên xe tải, còn đối với các xe du lịch có hệ thống treo độc lập thì không đảm bảo tính động học, hạn chế ứng dụng trong các loại xe này.
Hệ thống dẫn động lái 6 khâu
Hình 2.20: Sơ đồ dẫn động lái 6 khâu
Hệ thống dẫn động lái 6 khâu (hình 2.20) được lắp đặt phổ biến trên các xe du lịch có hệ thống treo độc lập trên cầu dẫn hướng, mang lại lợi ích về dễ lắp đặt và cấu trúc dễ làm việc Ưu điểm nổi bật của hệ thống này chính là giảm không gian cần thiết cho bố trí, đồng thời nâng cao khả năng cường hóa hệ thống lái ngay trên dẫn động lái Hiện nay, dẫn động lái 6 khâu được sử dụng rộng rãi trên các loại xe nhờ tính đơn giản và hiệu quả của nó Cấu tạo của hệ thống gồm các khớp, đòn, giảm chấn giúp điều chỉnh và truyền lực lái một cách linh hoạt và chính xác.
- Khớp cầu dùng trong hệ thống lái có 2 dạng:
Khớp cầu bôi trơn thường xuyên và khớp cầu bôi trơn một lần đều đóng vai trò quan trọng trong hệ thống lái xe Hiện nay, xe ô tô con chủ yếu sử dụng khớp cầu không cần bảo dưỡng (bôi trơn một lần), trong khi xe tải yêu cầu khớp cầu bôi trơn thường xuyên Các loại khớp cầu bôi trơn một lần gồm có bạc kim loại, bạc nhựa và bạc cao su Đối với các hệ thống lái có đòn quay và đòn phụ, thường dùng khớp cầu có bạc cao su do khả năng chịu lực tốt và phù hợp với yêu cầu dịch chuyển hình học của các bộ phận nhỏ Khớp cầu có bạc nhựa liền khối, có khả năng biến dạng nhỏ và chịu ma sát tốt, với mức giá hợp lý, nên được sử dụng phổ biến trên các xe con hiện nay, góp phần nâng cao độ bền và hiệu suất vận hành của hệ thống lái.
Khớp cầu có bạc kim loại chỉ dùng trên các xe thể thao vì yêu cầu độ bền cao
Các đòn dẫn động lái thường có hai dạng chính: dạng cố định (hình thang lái) và dạng có thể điều chỉnh chiều dài (đòn kéo dọc) Hình dạng của các đòn tuỳ thuộc vào vị trí, kết cấu và khoảng không gian cho phép khi dịch chuyển, nhưng phần lớn các đòn có tiết diện tròn, rỗng Đối với các đòn kéo dọc dùng để điều chỉnh độ chụm của bánh xe, hai đầu khớp cầu được thiết kế với ren ngược chiều nhau để dễ dàng điều chỉnh bằng cách xoay đòn kéo Thân khớp cầu liên kết với các đòn qua các bề mặt, và hãm bằng chốt chẻ để đảm bảo an toàn và ổn định.
Giảm chấn của hệ thống lái (hình 2.21) giúp nâng cao chất lượng xe và đảm bảo vận hành ổn định Trên một số loại xe, giảm chấn được tích hợp trong hệ thống lái để cải thiện cảm giác lái và giảm thiểu rung lắc Trong các hệ thống lái có cường hoá, cường hoá đóng vai trò như một bộ giảm chấn, giúp tăng độ chính xác và ổn định khi 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.
kết cấu cầu dẫn hướng ô tô
Cầu dẫn hướng có cấu tạo và chức năng khác biệt hoàn toàn so với cầu chủ động của ô tô, với các bánh xe lắp qua cam quay để tạo ra các hướng chuyển động hoặc quay vòng phù hợp với mục đích của người lái Ngoài ra, cầu dẫn hướng còn chịu trách nhiệm đỡ toàn bộ trọng lượng của phần treo của xe, tiếp nhận và truyền lực – mô men tương tác giữa mặt đường và thân xe, và trong các loại xe đặc biệt như 4x4, 6x6, nó còn đóng vai trò là cầu chủ động phía trước Để hoạt động hiệu quả, cầu dẫn hướng cần đáp ứng các yêu cầu quan trọng như đảm bảo động học đúng đắn của bánh xe theo phương thẳng đứng, duy trì độ ổn định và quay vòng hợp lý, trọng lượng nhẹ, kết cấu nhỏ gọn nhưng vẫn có độ bền và cứng cao.
Kết cấu cầu dẫn hướng phụ thuộc vào kiểu hệ thống treo và mục đích sử dụng của ô tô, gồm các loại cầu dẫn hướng dầm liền kết hợp với hệ thống treo phụ thuộc và cầu dẫn hướng rời kết hợp với hệ thống treo độc lập Các loại cầu dẫn hướng này được phân thành cầu dẫn hướng bị động (hình 2.22) và chủ động (hình 2.23), nhằm tối ưu hóa khả năng vận hành và điều khiển của xe.
Cầu trước bị động (hình 2.22) là loại cầu ô tô có các bánh xe không dẫn động, được gắn cố định vào khung xe hoặc thân xe Khác với cầu chủ động, cầu bị động không truyền lực trực tiếp đến bánh xe, mà các bánh xe quay xung quanh nó Trong cấu trúc này, cầu trước bị động đóng vai trò như một trục chịu tải quan trọng, giúp xe vận hành ổn định và linh hoạt hơn trên các đường phố.
Cầu trước chủ động (2.23) được cố định cùng các bánh xe và quay theo chúng, giúp hệ thống vận hành linh hoạt và chính xác hơn Tất cả các phương tiện sử dụng bánh xe đều được trang bị cầu ô tô chủ động để đẩy bộ bánh xe một cách hiệu quả, nâng cao hiệu suất và độ bền của phương tiện.
Cầu trước chủ động dẫn động truyền công suất và mô-men xoắn đến các bánh xe, giúp kiểm soát tốt hơn khả năng vận hành của xe Nó còn hỗ trợ trọng lượng của xe, mang lại sự ổn định và an toàn khi lái Với hệ thống này, xe có khả năng xử lý linh hoạt hơn trên các cung đường khác nhau, nâng cao trải nghiệm lái hiệu quả và an toàn hơn.
Các góc đặt bánh xe dẫn hướng
Trong quá trình chuyển động của ô tô, việc giữ các bánh xe dẫn hướng ổn định là yếu tố quan trọng để giảm thiểu lực cản chuyển động và đảm bảo xe lăn bánh trong mặt phẳng thẳng đứng song song với trục dọc của xe Các bánh xe và trụ đứng được điều chỉnh sao cho phù hợp với mặt đường và hệ thống treo, với các góc đặt bánh xe, gồm có năm loại chính: góc nghiêng ngang của bánh xe (Camber), góc nghiêng ngang của trụ đứng (Kingpin), góc nghiêng dọc của trụ đứng (Caster) và độ chụm của bánh xe dẫn hướng These adjustments ensure optimal stability, steering precision, and tyre wear for the vehicle's optimal performance.
Góc nghiêng ngang của bánh xe (Camber) là góc nghiêng của bánh xe khi nhìn từ phía trước của xe, được tạo bởi đường tâm của bánh xe trong mặt phẳng thẳng vuông góc với mặt đường Góc này giúp bánh xe dẫn hướng lăn vuông góc với mặt đường dưới tác động của tải trọng, giảm mô men cản quay vòng của xe và làm nhẹ lực tay lái Thông thường, góc camber có giá trị từ 0° đến 1,5°, và trên các ô tô du lịch hiện đại có tốc độ cao và sử dụng lốp áp suất thấp, bánh xe có thể nghiêng vào trong để tăng cường tính ổn định khi quay vòng Trong đó, góc camber được coi là dương khi nghiêng ra ngoài và âm khi nghiêng vào trong.
Góc hoặc độ chụm của bánh xe (Toe in Toe out) ảnh hưởng đến khả năng lái xe an toàn và ổn định Khi có góc nghiêng ngang, các bánh xe dẫn hướng có xu hướng chạy ra hai bên, gây mất thăng bằng trong quá trình vận hành Để duy trì hướng đi thẳng của xe, cần thiết phải điều chỉnh độ chụm của các bánh xe dẫn hướng Độ chụm này được xác định dựa trên hiệu số giữa các góc nghiêng của bánh xe, giúp tối ưu hóa độ bám đường và giảm hao mòn lốp Việc kiểm tra và điều chỉnh đúng độ chụm bánh xe là bước quan trọng trong bảo dưỡng xe để đảm bảo hiệu suất vận hành và an toàn cho người lái.
Khoảng cách B được đo giữa hai mép bánh xe phía sau tại độ cao ngang với trục bánh xe, trong khi đó, khoảng cách A được đo giữa hai mép bánh xe phía trước tại cùng độ cao Hiện nay, tiêu chuẩn chụm bánh xe cho ô tô du lịch là từ 0 đến 5mm, còn đối với xe tải và xe buýt là từ 8 đến 10mm Trong trường hợp góc Camber âm, độ chụm bánh xe sẽ có chiều ngược lại, ảnh hưởng đến khả năng cân đối và an toàn khi vận hành.
Hình 2.25: Độ chụm bánh xe Góc nghiêng ngang và dọc của trụ đứng (kingpin β và caster y) (hình 2.26):
Trong quá trình chuyển động, ô tô thường xuyên phải chịu tác động ngẫu nhiên như độ mấp mô mặt đường hoặc gió ngang, gây lệch góc của bánh xe dẫn hướng so với phương chuyển động thẳng Để duy trì ổn định chuyển động thẳng cho xe, các bánh xe cần có khả năng tự trở về vị trí trung gian, chính là khả năng tự ổn định chuyển động của bánh xe dẫn hướng Trụ đứng được bố trí nghiêng trong mặt phẳng ngang với góc β và nghiêng trong mặt phẳng dọc theo hướng chạy của xe với góc y, nhằm nâng cao khả năng tự ổn định này.
Hình 2.26: Góc nghiêng ngang trụ đứng (a) và góc nghiêng dọc trụ đứng (b)
Góc β là góc nghiêng của trụ đứng trong mặt phẳng ngang, giúp giảm lực tay lái khi xe quay bên trái hoặc phải Khi góc này tăng, bán kính quay a cũng tăng, làm tăng mô-men phản kháng do sức cản của lốp xe gây ra, từ đó làm tăng lực cần để đánh lái Ngược lại, góc β có thể giảm lực đánh lái khi có góc kingpin, giúp kiểm soát dễ dàng hơn Bên cạnh đó, góc β cũng giảm lực phản hồi từ các lực tác dụng như lực kéo hoặc lực phanh, vì nếu lệch a quá lớn, các lực này tạo ra mô-men quay lớn quanh trục đứng, ảnh hưởng đến độ ổn định Hơn nữa, góc β giúp cải thiện độ ổn định của xe khi đi thẳng bằng cách tự động quay bánh xe về vị trí trung tâm sau khi quay vòng, nhờ cơ chế nâng bánh xe lên một độ cao h nhất định, tạo ra mô-men quay đưa bánh xe về trung tâm Hiện nay, góc β phổ biến trên các xe ô tô là từ 6 đến 10 độ, góp phần nâng cao tính ổn định và dễ kiểm soát cho xe.
Góc caster tạo ra độ ổn định trên đường thẳng cho xe ô tô Khi trụ đứng quay để xe vào đường vòng, bánh xe có góc caster sẽ nghiêng so với mặt đường, tạo ra mô men ổn định giúp nâng thân xe lên Mô men này hoạt động như một lực hồi vị, giúp xe trở về vị trí nằm ngang và duy trì sự ổn định trên đường thẳng Giao điểm giữa đường tâm trục xoay đứng và mặt đường nằm phía trước tâm tiếp xúc của lốp xe, khiến lực kéo kéo bánh xe về phía trước, vượt qua các lực làm mất ổn định, từ đó giữ cho bánh xe chạy ổn định theo hướng thẳng Hiện nay, góc caster của các ô tô phổ biến trong khoảng 1-4 độ, góp phần tăng cường tính ổn định khi vận hành.
Phân tích những hư hỏng của hệ thống lái trợ lực thủy lực trên ô tô và biện pháp khắc phục
1.7 Kết cấu của đồ án tốt nghiệp
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA HỆ THỐNG LÁI 4 BÁNH
QUY TRÌNH TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MÔ HÌNH
Tính toán các thông số đầu vào ban đầu của xe tham khảo
3.2.1 Tính mô men cản quay vòng lớn nhất
- Đây là hệ thống lái 4 bánh như hình 3.7 nên phải tính mô men quay vòng tại cầu trước và cầu sau
Hình 3.7: Sơ đồ bố trí hệ thống lái 4 bánh
* Cầu dẫn hướng phía trước
Mômen cản quay vòng ở các bánh xe dẫn hướng được xác định khi xe đang quay vòng và chở đủ tải, đảm bảo ổn định trong quá trình vận hành Mô men này được tính toán dựa trên lực cản lăn xuất hiện ở hai bánh xe ngược chiều nhau, kết hợp với lực bên Y và mô men ổn định của bánh xe dẫn hướng Việc phân tích mômen cản quay vòng giúp tối ưu hóa khả năng điều khiển và an toàn của hệ thống lái.
+ Mô men cản quay vòng gây nên do lực cản lăn:
M1 = Gbx f a (3.26) Trong đó: Gbx = 5035,25 N 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
Hình 3.8: Sơ đồ trụ đứng nghiêng trong mặt phẳng ngang
Khi có lực ngang Y tác dụng lên bánh xe, do sự đàn hồi bên của lốp, diện tích tiếp xúc giữa lốp và mặt đường sẽ quay tương đối so với mặt phẳng bánh xe Điểm đặt của lực ngang Y sẽ dịch chuyển một đoạn x về sau so với trục bánh xe, đoạn x này bằng một phần tư chiều dài của vết tiếp xúc giữa lốp và mặt đường Sự dịch chuyển này gây ra mô men quay cùng chiều M1, ảnh hưởng đến hành trình và độ bám của bánh xe trên mặt đường.
M2 = Y x (3.27) Trong đó: 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:
25, 4 2 rB d (mm) (3.28) Với bánh xe có ký hiệu 195/60 R15:
195 15 25, 4 385,5 0,3855 r 2 mm m rbx là bán kính làm việc trung bình của bánh xe, và được xác định theo công thức sau: rbx=.r suy ra rbx=0,96 r
Với y = 0,85: Hệ số bám ngang giữa bánh xe và mặt đường
Hình 3.9: Sơ đồ bánh xe khi tiếp xúc với mặt đường
Mômen cản tổng cộng trên cầu trước dẫn hướng được tính toán theo công thức:
t = 0,5 - 0,7 hiệu suất tính đến tổn hao ma sát, chọn t = 0,7
Thay số vào ta có: Mc =2 Gbx (f.a + 0,14.y r) / t (3.30)
Với cầu dẫn hướng phía sau ta có các thông số Gbx và khoảng cách cánh tay đòn a là thay đổi với a=0,055m và Gbx369,5N thay vào công thức:
3.2.3 Xác định lực cực đại tác dụng lên vành tay lái
Khi đánh lái trong trường hợp ô tô đứng yên tại chỗ, lực tác động lên vành tay lái để vượt qua lực cản quay vòng tác dụng lên bánh xe dẫn hướng là lớn nhất Lực lớn nhất này phụ thuộc vào các yếu tố như lực cản quay vòng và đặc điểm kỹ thuật của hệ thống lái, được xác định chính xác theo công thức phù hợp Hiểu rõ về lực tác động này giúp cải thiện hiệu quả kiểm soát và an toàn khi vận hành ô tô.
Mc - mômen cản quay vòng: Mct = 739,5; Mcs = 497,4 (Nm)
R -bán kính vành lái: R = 0,19 (m) ic -tỷ số truyền cơ cấu lái: ict ; ics
th -hiệu suất thuận của cơ cấu lái, đối với cơ cấu lái thanh răng
- Trục răng hiệu suất thuận th = 0,8
- Cơ cấu lái sau có cả bánh răng nên ta chọn th = 0,85 id - tỷ số truyền của dẫn động lái id = 0,85- 1,1, chọn id = 1
Tính bền một số chi tiết trong hệ thống lái
Trục lái làm bằng thép rỗng được tính theo ứng suất xoắn do lực tác dụng trên vành tay lái:
+ Plmax- Lực lái lớn nhất tác dụng lên vô lăng Plmax = 439N
+ D, d - Đường kính trong và đường kính ngoài của trục lái
+ R: bán kính vành tay lái R = 190mm
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 5080MN/m 2
Chọn sơ bộ kích thước của trục lái là:
D0 (mm), d= 20 (mm) Thay những thông số trên vào công thức (3.32) ta được:
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 sau:
L - Chiều dài của trục lái (m)
G - Mô đun đàn hồi dịch chuyển (G=8.10 4 MN/m 2 )
maxđổi ra không được vượt quá(5,5 0 7,5 0 )/1m
Thay số vào ta được:
Thoả mãn tiêu chuẩn thiết kế
Vậy ta chọn trục lái rỗng, có chiều dài là: 1(m)
3.3.2 Tính bền đòn kéo ngang
Trong quá trình làm việc, đòn kéo ngang chỉ chịu kéo nén theo phương dọc trục
Do vậy khi tính bền ta chỉ cần tính kéo, nén và lực tác dụng từ bánh xe Tính bền đòn kéo ngang theo chế độ phanh cực đại
+ G1060N: 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
+ 0,85: Hệ số bám giữa lốp và mặt đường
Thay vào biểu thức ta được: Ppmax = 10060.1,4.0,85 = 11971,4 (N)
Hình 3.10: Sơ đồ phân bố lực phanh
Từ hình 3.10 sơ đồ phân tích lực phanh ta có công thức:
AB, c: là các kích thước trên hình vẽ
Ta lại có: Độ dài đòn kéo ngang trước :
Q Q N Ứng suất nén dọc của thanh ngang liên kết được xác định theo công thức: t n F
P = Q1 = 7563,7 (N): Lực tác dụng theo phương của đòn ngang
Diện tích của thanh ngang:
Đòn kéo ngang được chế tạo bằng thép ống, 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 công thức (3.37) ta được:
Vậy đòn kéo ngang đảm bảo độ bền và ổn định
3.3.3 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 ống 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 u 85,42