Đề cương hệ thống lái trên ô tô

Đề cương hệ thống lái trên ô tô I. CÔNG DỤNG, PHÂN LOẠI, YÊU CẦU HỆ THỐNG LÁI Công dụng, phân loại hệ thống lái: (1) Nhiệm vụ: Hệ thống lái của ô tô dùng để thay đổi và duy trì hướng chuyển động của ôtô theo một hướng nhất định nào đó. (2) Phân loại. + Theo cách bố trí vành tay lái: Hệ thống lái với vành lái bố trí bên trái (khi chiều thuận đi đường là chiều phải). Hệ thống lái với vành lái bố trí bên phải (khi chiều thuận đi đường là chiều trái). + Theo kết cấu của cơ cấu lái Trục vít cung răng Trục vít con lăn Bánh răng thanh răng Liên hợp (Trục vít ê cu đòn quay hay trục vít êcu thanh răngcung răng ). + Theo kết cấu và nguyên lý làm việc của bộ trợ lực: Loại trợ lực thuỷ lực. Loại trợ lực khí (gồm cả cường hóa chân không). Loại trợ lực điện. + Theo vị trí cầu dẫn hướng:

ĐỀ CƯƠNG CHI TIẾT BÀI GIẢNG HỆ THỐNG LÁI

1 Chuẩn đầu ra của học phần:

L1.1: Vận dụng các kiến thức vật lý cơ bản vào giải thích nguyên lý làm việc và phân tích đặc tính kết cấu của ô tô

L1.2: Có khả năng tư duy bao quát về các hệ thống cũng như tổng thành xe

L4.1: Phân tích chức năng, nguyên lý và cấu trúc của các hệ thống trong kết cấu gầm ô

tô

2 Mục tiêu bài học:

Bài học cung cấp kiến thức về nhiệm vụ, yêu cầu, phân loại và nguyên lý làm việc của

hệ thống lái trên ô tô Sau khi học xong bài học này, sinh viên hiểu, có thể trình bày được cấu tạo và nguyên lý làm việc chung các bộ phận cấu thành HTL Phân tích, so sánh được ưu, nhược điểm các loại và phương pháp trợ lực HTL trên ô tô

I CÔNG DỤNG, PHÂN LOẠI, YÊU CẦU HỆ THỐNG LÁI

Công dụng, phân loại hệ thống lái:

(1) Nhiệm vụ:

Hệ thống lái của ô tô dùng để thay đổi và duy trì hướng chuyển động của ôtô theo một hướng nhất định nào đó

(2) Phân loại

+ Theo cách bố trí vành tay lái:

- Hệ thống lái với vành lái bố trí bên trái (khi chiều thuận đi đường là chiều phải)

- Hệ thống lái với vành lái bố trí bên phải (khi chiều thuận đi đường là chiều trái)

+ Theo kết cấu của cơ cấu lái

- Trục vít - cung răng

- Trục vít - con lăn

- Bánh răng- thanh răng

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

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

- Loại trợ lực thuỷ lực

- Loại trợ lực khí (gồm cả cường hóa chân không)

- Loại trợ lực điện

+ Theo vị trí cầu dẫn hướng:

- Cầu trước dẫn hướng

- Cầu sau dẫn hướng

II CẤU TẠO CHUNG HỆ THỐNG LÁI

❖ Hệ thống lái không có trợ lực:

a Kết cấu:

Hình 1.97: Kết cấu hệ thống lái không có trợ lực 1- Vành tay lái, 2- Trục lái, 3- trục vít, 4- Cung răng, 5- Tay quay, 6- Đòn dọc, 7- Đòn

quay, 9- Dòn ngang, 8,10- Đòn bên, 11; 12 – Cam quay, 13- Dầm cấu

b Hoạt động:

Tác động lên vành tay lái, qua trục lái đến cơ cấu lái làm tay quay quay một góc phụ thuộc vào góc quay của vành tay lái Tay quay kéo dòn dọc di chuyển theo chiều dọc, kéo dòn quay làm cam quay bên phải quay Qua các dòn bên và dòn ngang làm cam quay bên phải quay theo cùng chiếu

❖ Hệ thống lái có trợ lực:

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

ô tô con cũng được bố trí trợ lực lái

Hình 1.98: Kết cấu hệ thống lái có trợ lực

Hình 1.99: Sơ đồ nghuyên lý làm việc khi quay vòng trái

Hình 1.100: Sơ đồ nghuyên lý làm việc khi quay vòng phải

Kết cấu các bộ phận chính:

❖ Trục lái và vanh tay lái:

Hình 1.101: Kết cấu trục lái và vành tay lái

Trục lái bao gồm trục lái chính để truyền chuyển động quay của vành tay lái đến hộp cơ cấu lái và ống vỏ trục lái để cố định trục lái chính trên thân xe Phần đầu trên của trục lái chính được cắt ren và vó then hoa để lắp vành tay lái và được giữ bằng đai ốc

Trục lái cũng bao gồm cơ cấu hấp thụ năng lượng va đập Trục lái được lắp vào thân xe bằng giá bắt dễ vỡ, do vậy trục lái có thể vỡ dễ dàng khi gặp tai nạn Phần dưới của trục lái chính được bắt với hộp cơ cấu lái bằng khớp mềm hay khớp các đăng để giảm tối thiểu ảnh hưởng của va đập từ mặt đường truyền từ hộp cơ cấu lái lên vành tay lái

III CƠ CẤU LÁI

Hộp cơ cấu lái có nhiệm vụ truyền lực của lái xe đến các bánh xe dẫn hướng, mà còn có tác dụng giảm lực quay vành tay lái bằng cách tăng mômen đầu ra Tỷ số truyền của hộp cơ cấu lái thường nằm trong khoảng 18:1 ÷ 20:1 Tỷ số truyền lớn làm giảm lực quay vòng nhưng cần phải quay vành tay lái nhiều hơn khi vào cua

Có rất nhiều loại hộp cơ cấu lái, nhưng sử dụng phổ biến nhất trên các xe ngày nay là các loại sau đây:

a Hộp cơ cấu lái loại trục vít – êcu:

Trên êcu có răng ăn khớp với bánh răng rẽ quạt của trục tay quay Trong êcu và trục vít

có lắp nhiều viên bi, một nửa nằm trong rãnh trục vít một nử nằm trong êcu

Khi trục vít xoay, các viên bi tạo lực đẩy êcu di chuyển tới lui làm bánh răng quay

Ưu điểm là lực ma sát thấp lái nhẹ

Hình1.102: Kết cấu hộp cơ cấu lái trục vít - êcu

b Hộp cơ cấu lái loại trục vít – con lăn:

Trên trục vít có răng lõm gắn với trục lái, con lăn lắp trên trục tay quay và ăn khớp với răng trục vít Khi trục vít xoay làm con lăn vừa xoay trên trục của nó vừa di chuyển theo răng trục vít

Ưu điểm có kết cấu đơn giản, chiều dải trục vít nhỏ, sự tiếp xúc các răng ăn khớp của trục vít với con lăn tốt nên ít mòn và mòn đều

Hình 1.103: Kết cấu hộp cơ cấu lái trục vít – con lăn

c Hộp cơ cấu lái loại trục vít – thanh răng:

Thay đổi chuyển động quay của vành tay lái thành chuyển động sang trái hay phải của thanh răng Kết cấu đơn giản, gọn nhẹ Hệ thống lái cứng vững và độ nhạy cao

Hình 1.104: Kết cấu hộp cơ cấu lái trục vít – thanh răn

❖ Thanh dẫn động lái:

Hệ thống thanh dẫn động lái gồm các đòn và các thanh, dùng để truyền chuyển động của hộp cơ cấu lái đến các bánh xe dẫn hướng Hệ thống này phải truyền một cách chính xác chuyển động của vành tay lái đến bánh xe dẫn hướng Cơ bản có ba loại thanh dẫn động lái sau:

a Loại thanh dẫn động dùng cho hệ thống treo phụ thuộc:

Hình 1.105: Thanh dẫn động lái dùng cho hệ thống treo phụ thuộc Dẫn động lái loại này gồm đòn ngang, đòn dẫn động cam quay kết hợp với dầm cầu tạo thành hình thang lái Đòn dọc nối tay quay với hình thang lái bằng các khớp cầu Như vậy khi tay quay xoay làm đòn dọc di chuyển theo chiều dọc, qua cam dẫn động quay làm đòn ngang

di chuyển qua lại theo chiều ngang

b Loại thanh dẫn động dùng cho hệ thống treo độc lập:

Hình 1.106: Thanh dẫn động lái dùng cho hệ thống treo dộc lập Loại này gồm một cặp thanh nối hai bên được nối với thanh kéo ngang bằng các khớp cầu Ống điều chỉnh lắp giữa hai đầu thanh nối để điều chỉnh độ chụm của bánh xe dẫn hướng, tay quay được nối với thanh kéo ngang và ống điều chỉnh ở đoạn giữa

c Loại thanh dẫn động dùng cho trục vít – thanh răng:

Hình 1.107: Thanh dẫn động lái dùng cho loại trục vít – thanh răng

Khớp cầu:

Hình 1.108: Kết cấu của khớp cầu

Hình 1.109: Các loại khớp cầu trong thanh

6 GÓC ĐẶT BÁNH XE

Hình 1.86: Các góc đặt của bánh xe dẫn hướng

❖ Góc nghiêng ngoài của bánh xe (góc Camber):

- Góc nghiêng ngoài của bánh xe là góc hợp bởi mặt phẳng cắt dọc qua tâm bánh xe với

trục thẳng đứng, trong mặt phẳng cắt ngang của xe

- Góc này có giá trị từ 0𝑜1200đến 2𝑜3000, được gọi là dương khi nghiêng ra ngoài và ngược lại gọi là âm Trên một số loại xe góc này còn có giá trị bằng không

Hình 1.87: Góc nghiêng ngoài (camber)

Góc camber dương:

- Trên xe có góc camber dương, tải trọng tác dụng lên trục và cam lái (hình 1.88) được

đặt phía trong làm giảm tải trọng lên trục và cam lái

- Ngoài ra, phản lực F phân làm hai thành phần lực F1 vuông góc đường trục F2 theo

đường tâm trục Nhờ lực F2 đẩy bánh xe vàobên trong như vậy giảm tải cho đai ốc đầu trục và để tránh bánh xe rơi ra ngoài, nhất là khi quay vòng Nhờ vậy ổ bi ngoài làm nhỏ hơn ổ bi trong

- Giảm được khoảng cách L, nhờ đó giảm lực quay bánh xe

- Trong trường hợp này do sự biến dạng của lốp do phản lực của mặt đường làm lốp xe

mòn nhiều phía bên trong như hình 1.88d

Góc camber âm:

- Khi quay vòng, góc camber âm làm giảm khả năng nghiêng của bánh xe so với mặt

đường, nên nâng cao được tính năng quay vòng của xe

- Ngăn cản lực camer ngoài ý muốn khi đầy tải hoặc khi quay vòng (hình 1.90)

- Trong trường hợp này do sự biến dạng của lốp do phản lực của mặt đường làm lốp xe

mòn nhiều phía bên ngoài như hình 1.89b

Hình 1.88: Góc camber dương

Hình 1.89: Góc camber âm

Hình 1.90: Góc camber thay đổi khi xe quay vòng

Góc camber bằng không:

Khi chuyển động trên nền đường bằng phẳng, góc camber bằng không đảm bảo bánh xe mòn đều

Hình 1.91: Góc camber bằng không

2.3.2 Độ chụm của bánh xe (Ton-in):

Độ chụm của bánh xe là độ lệch của phần trước so với phần sau bánh xe khi nhìn từ trên xuống dưới theo hướng chuyển động của xe (hình 1.92) Góc lệch của bánh xe được gọi là góc chụm Giá trị độ chụm thường từ 2÷3 (mm)

A <B gọi là độ chụm hoặc gọi là độ chụm dương

A >B gọi là độ doãng hoặc gọi là độ chụm âm

Hình 1.92: Độ chụm của bánh xe dẫn hướng

Hình 1.93: Tác dụng của độ chụm đối với bánh xe

- Tác dụng chính của độ chụm là để khắc phục sự ảnh hưởng của góc nghiêng camber dương sinh ra Khi có góc nghiêng camber dương khi chuyển động làm hai báng xe có xu

hướng lăn ra phía ngoài, vì vậy bánh xe bị trượt lếch trên mặt đường, gây mòn không đều Khi có độ chụm, các bánh xe sẽ lăn theo vòng cung o1, tâm sẽ dịch về phía trước so với dầm cầu

- Khi bánh xe chuyển động lực cản chuyển đông của mặt đường lên bánh xe làm bánh xe

có xu hướng quay quanh tâm trụ đứng làm mất ổn định khi chạy thẳng, nhờ độ chụm khắc phục hiện tượng này ổn định lái, độ chụm dương sẽ khắc phục hiện tượng này tạo nên sự ổn định khi chuyển động thẳng

- Khi xe đi vào đường nghiêng, các bánh xe có xu hướng nghiêng vào phía nghiêng, nếu bánh xe có độ chụm sẽ làm cho các bánh xe có xu hướng quay theo chiều ngược lại tức là

ổn định khi đi thẳng

Góc nghiêng trong của trụ đứng ( kingpin angle):

- Góc nghiêng trong của trụ đứng là góc hợp bởi đường tâm trụ đứng và trục thẳng đứng

trong mặt phẳng cắt ngang Góc nghiêng trong có giá trị từ 00 ÷120

- Khoảng cách từ tâm đường trụ đứng giao với mặt đường đến tâm bánh xe giao với mặt

đường được gọi là độ lệch "L" hay còn gọi là bán kính quay của bánh xe quanh trụ đứng Bán kính quay nhỏ giảm được lực điều khiển lái xe

- Bán kính quay lớn, phản lực của bánh xe khi chuyển động hay lực phanh sinh ra mômen

làm xoay bánh xe quanh trụ đứng Nhờ độ lệch nhỏ giảm được các lực va đập và lực phanh làm ổ định chuyển động thẳng của ôtô

- Độ nghiêng trong của trụ đứng còn có xu hướng đưa bánh xe dẫn hướng về vị trí hướng

thẳng sao khi quay vòng

Hình 1.94: Góc nghiêng trong của trụ đứng (Kingpin angle)

Góc nghiêng sau của trụ đứng ( caster angle):

- Là góc hợp bởi đường tâm trụ đứng với trục thẳng đứng trong mặt phẳng cắt dọc

- Nếu nghiêng về phía sau được gọi là góc caster dương, nghiêng về phía trước gọi là góc

caster âm

- Khoảng cách từ giao điểm của đường tâm trục lái với đến vùng tiếp xúc giữa lốp xe với

mặt đường gọi là vết bánh xe

- Góc nghiêng sau của trụ đứng dương có tác dụng tăng ổn định chuyển động thẳng của

ôtô Giá trị góc này vào khoảng 00 ÷70

Hình 1.95: Góc nghiêng sau của trụ đứng (Caster angle)

Bán kính quay:

Nếu bán kính quay của bánh trước bên phải và bên trái bằng nhau (r1 = r2) như hình 1.96 Nhưng mỗi bánh xe quay quanh tâm khác nhau (o1 và o2) , như vậy bánh bên trong sẽ có độ trượt ngang nên quay vòng không êm

Hình 1.96: Bán kính quay của bánh xe dẫn hướng

Để tránh điều đó người ta thiết kế sau cho khi quay vòng bán kính quay của bánh xe r1 > r2

và góc quay, tâm quay o sẽ trùng nhau để đạt được bán kính quay vòng theo mong muốn

YÊU CẦU ĐỐI VỚI SINH VIÊN

Đọc hết đề cương chi tiết bài giảng, slides bài giảng, xem video bài giảng, hoàn thành bộ câu hỏi trắc nghiệm, đọc giáo trình chương hệ thống lái trên ô tô

Tài liệu tham khảo

[1] Nguyễn Huy Chiến; Lê Văn Anh; Hoàng Quang Tuấn; Phạm Việt Thành (2016) Giáo trình Kết cấu ô tô – NXB KH&KT

[5] Jack Erjavec (2010) Automotive Technology A Systems Approach 5th Edition

[6] David A Crolla (2009) Automotive Engineering: Powertrain, Chassis System and Vehic