Thiết kế hệ thống lái ô tô con dựa trên xe cơ sở toyota fortuner 2015

Tỷ số truyền của hệ thống lái (tỉ số truyền động học) bằng tỷ số góc quay của trục vành tay lái và góc quay tương ứng của cam quay hay bánh xe dẫn hướng. Tỷ số truyền này một mặt phải đủ lớn để ứng với một lực nhất định nào đó tác động vào vành tay lái sẽ làm quay được bánh xe dẫn hướng trong những điều kiện nặng nhọc nhất, đó là khi quay vòng tại chỗ trên mặt đường nhựa khô, xe đầy tải. Với xe tham khảo là xe du lịch có bố trí trợ lực lái nên tỷ số truyền của hệ thống lái i = 12 20, vì tỷ số truyền của dẫn động lái ta chọn idđ = 1 nên ta chọn tỷ số truyền của cơ cấu lái cần thiết kế là icc = 17 . Tỉ số truyền của hệ thống lái xác định theo công thức: il = idđ.icc = 1.17 = 17 (2.3) Ta có công thức: 〖α〗_max= (α_max.i_l)360 (2.4) Trong đó: 〖α〗_max : gọi là vòng quay vành lái lớn nhất từ vị trí đi thẳng. α_max : góc quay vòng lớn nhất của bánh xe dẫn hướng. α_max = 〖37,23〗0 i_l : tỷ số truyền của hệ thống lái. i_l = 17 Thay số (2.4) vào ta được: 〖α〗_max= (〖(37,23〗0 .17))360= 1,75 (vòng)  Phù hợp với tiêu chuẩn thiết kế.

DANH MỤC CÁC BẢNG iii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ iv

MỞ ĐẦU 1

Chương I TỔNG QUAN HỆ THỐNG LÁI TRÊN Ô TÔ CON 2

1.1 Những vấn đề chung về hệ thống lái 2

1.1.1 Công dụng của hệ thống lái

1.1.2 Yêu cầu của hệ thống lái

1.1.3 Phân loại hệ thống lái trên ô tô

1.2 Cấu tạo chung của hệ thống lái trên ô tô 3

1.2.1 Vành tay lái và trục lái

1.2.2 Cơ cấu lái

1.2.3 Hệ dẫn động lái

1.2.4 Trợ lực lái 13

1.2.5 Các thông số đánh giá hệ thống lái 14

1.3 Giới thiệu về Toyota Fortuner 15

1.3.1 Các thông số cơ bản 15

1.3.2 Hệ thống truyền lực 17

1.3.3 Hệ thống điều khiển 18

1.4 Lựa chọn phương án thiết kế 20

Chương II THIẾT KẾ HỆ THỐNG LÁI TRÊN Ô TÔ 21

2.1 Tính toán các thông số cơ bản của hệ thống lái 21

2.1.1 Xác định góc quay lớn nhất của các bánh xe dẫn hướng 21

2.1.2 Xác định và phân phối tỷ số truyền của hệ thống lái 22

2.1.3 Xác định lực tác dụng lên vành tay lái 23

2.1.4 Tính toán động học hình thang lái 26

2.2 Tính toán thiết kế cơ cấu lái 33

2.2.1 Xác định chiều dài làm việc của thanh răng 33

2.2.2 Xác định bán kính vòng lăn của bánh răng 34

2.2.3 Xác định các thông số của bánh răng 34

2.3.4 Xác định kích thước và thông số của thanh răng 36

2.2.4 Tính bền cơ cấu lái bánh răng – thanh răng 37

2.3 Tính toán thiết kế dẫn động lái 40

2.3.1 Tính toán thiết kế trục lái 40

2.3.2 Tính toán thiết kế đòn kéo ngang 41

2.3.2 Tính toán thiết kế đòn bên hình thang lái 43

2.3.4 Tính toán thiết kế khớp cầu (rô tuyn) 44

2.4 Tính toán thiết kế trợ lực lái 46

2.4.1 Mômen cản mà trợ lực cần phải khắc phục: 47

2.4.2 Xây dựng đường đặc tính trợ lực lái 47

2.4.3 Tính toán thiết kế xi lanh lực 49

2.4.4 Xác định lưu lượng của bơm 50

TÀI LIỆU THAM KHẢO 53

Bảng 1 1 Thông số của xe Toyota Forturner 2015 17Bảng 2 1: Quan hệ giữa  và  theo lý thuyết.

Bảng 2 2: Quan hệ giữa  và  theo thực tế

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

CHƯƠNG I

Hình 1.1: Cấu tạo chung của hệ thống lái 3

Hình 1.2: Vành tay lái và trục lái 4

Hình 1.3: Cơ cấu lái trục vít cung răng 5

Hình 1.4: Cơ cấu lái trục vít - con lăn 6

Hình 1.5: Cơ cấu lái bánh răng thanh răng 7

Hình 1.6: Sơ đồ lắp đặt cơ cấu lái bánh răng - thanh răng 7

Hình 1.7: Đòn quay 8

Hình 1.8: Khớp cầu 9

Hình 1.9: Khớp cầu 9

Hình 1.10: Góc doãng 10

Hình 1.11: Góc nghiêng dọc 11

Hình 1.12: Góc nghiêng ngang của trụ xoay đứng 11

Hình 1.13: Độ chụm của bánh xe 12

Hình 1.14: Dẫn động lái 4 khâu 12

Hình 1.15: Dẫn động lái 6 khâu 13

Hình 1.16: Kết cấu liên kết đòn dẫn động ngang và cụm khớp cầu 13

Hình 1.17: Hình ảnh thực tế Toyota Fortuner 2015 16

Hình 1.18: Kích thước cơ bản của Toyota Fortuner 2015 16

Hình 1.19: Sơ đồ bố trí hệ thống lái trên xe Fortuner 19

Hình 1.20: Sơ đồ bố trí hệ thống lái theo phương án thiết kế 20

CHƯƠNG II Hình 2.1: Sơ đồ động học quay vòng 21

Hình 2.2: Sơ đồ lực tác dụng lên vành tay lái 23

Hình 2 3: Sơ đồ lực tác dụng lên bánh xe 24

Hình 2.4: Sơ đồ động học quay vòng xe với 2 bánh dẫn hướng phía trước 27

Hình 2.5: Sơ đồ động học hình thang lái khi xe đi thẳng 28

Hình 2.6: Sơ đồ động học hình thang lái khi xe quay vòng 29

Hình 2.7: Đồ thị đường đặc tính thực tế 33

Hình 2.8: Kích thước hình học của bánh răng 35

Hình 2.9: Kích thước hình học của thanh răng 36

Hình 2.10: Đòn kéo ngan 41

Hình 2.11: Sơ đồ phân bố lực phanh 42

Hình 2.12: Tiết diện đòn kéo 42

Hình 2.13: Sơ đồ dẫn động lái 43

Hình 2.14: Kết cấu khớp cầu 45

Hình 2.15: Đồ thị đặc tính khi không có trợ lực và có trợ lực 49

MỞ ĐẦU

Giao thông vận tải chiếm vị trí rất quan trọng trong nền kinh tế quốc dân, đặcbiệt là đối với các nước có nền kinh tế phát triển Có thể nói rằng mạng lưới giao thôngvận tải là mạch máu của một quốc gia, một quốc gia muốn phát triển nhất thiết phảiphát triển mạng lưới giao thông vận tải

Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, ngành ô tô ngày càng phát triểnhơn Khởi đầu từ những chiếc ô tô thô sơ hiện nay ngành công nghiệp ô tô đã có sự pháttriển vượt bậc nhằm đáp ứng những yêu của con người Những chiếc ô tô ngày càng trởnên đẹp hơn, nhanh hơn, an toàn hơn, tiện nghi hơn để theo kịp với xu thế của thời đại

Song song với việc phát triển ngành ô tô thì vấn đề bảo đảm an toàn cho người

và xe càng trở nên cần thiết Do đó trên ô tô hiện nay xuất hiện rất nhiều cơ cấu bảođảm an toàn như: cơ cấu lái, dây đai an toàn, túi khí…trong đó cơ cấu phanh đóng vaitrò quan trọng nhất Cho nên khi thiết kế hệ thống lái phải đảm bảo lái có hiệu quả cao,

an toàn ở mọi tốc độ nhất là ở tốc độ cao; để nâng cao được năng suất vận chuyểnngười và hàng hoá là điều rất cần thiết

Đề tài này có nhiệm vụ “Thiết kế hệ thống lái ô tô con” dựa trên xe tham khảo là

xe Toyota Fortuner 2015 Sau một thời gian nghiên cứu thiết kế dưới sự hướng dẫn, chỉbảo nhiệt tình của thầy TS.Trương Mạnh Hùng và toàn thể các thầy trong bộ môn ô tô

đã giúp em hoàn thành được đồ án của mình Mặc dù vậy cũng không tránh khỏi nhữngthiếu sót em mong các thầy giúp em tìm ra những thiếu sót đó để đồ án của em đượchoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn thầy TS Trương Mạnh Hùng cùng toàn thể các thầy

trong bộ môn đã giúp em hoàn thành đồ án tốt nghiệp của mình

TP Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2022

Sinh viên thực hiện

CHƯƠNG I TỔNG QUAN HỆ THỐNG LÁI TRÊN Ô TÔ CON1.1 Những vấn đề chung về hệ thống lái

1.1.1 Công dụng của hệ thống lái

Hệ thống lái là tập hợp các cơ cấu dùng để giữ cho ôtô máy kéo chuyển động theomột hướng xác định nào đó và để thay đổi hướng chuyển động khi cần thiết theo tácđộng của người lái

Việc điều khiển hướng chuyển động của xe được thực hiện như sau: vành lái tiếpnhận lực tác động của người lái và truyền vào hệ thống lái, trục lái truyền mômen từvành tay lái tới cơ cấu lái, cơ cấu lái tăng mômen truyền từ vành lái tới các thanh dẫnđộng lái, các thanh dẫn động lái truyền chuyển động từ cơ cấu lái đến các bánh xedẫn hướng Kết cấu lái phụ thuộc vào cơ cấu chung của xe và của từng chủng loại xe

Để quay vòng được thì người lái cần phải tác dụng vào vành tay lái một lực.Đồng thời cần có một phản lực sinh ra từ mặt đường lên mặt vuông góc với bánh xe

Để quay vòng đúng thì các bánh xe dẫn hướng phải quay quanh một tâm quay tứcthời khi quay vòng

1.1.2 Yêu cầu của hệ thống lái

+ Đảm bảo quay vòng ô tô thật ngoặt trong một thời gian rất ngắn trên một diệntích rất bé

+ Đảm bảo lực đặt lên vành tay lái bé

+ Đảm bảo động học quay vòng đúng trong đó các bánh xe của tất cả các cầu phảilăn theo những vòng tròn đồng tâm

+ Đảm bảo ô tô chuyển động thẳng ổn định

+ Đảm bảo khả năng an toàn bị động của xe, đảm bảo hiệu suất thuận phải lớnhơn hiệu suất nghịch để giảm tác động từ mặt đường qua cơ cấu lái lên vô lăng

+ Đảm bảo tính tùy động

1.1.3 Phân loại hệ thống lái trên ô tô

Có nhiều cách để phân loại hệ thống lái trên ô tô:

a) Theo vị trí bố trí vành tay lái (vô lăng)

hội chủ nghĩa trước đây, Pháp, Mỹ

+ Vô lăng bố trí bên phải : Dùng cho các nước thừa nhận luật đi đường bên trái như:

Anh , Thuỵ Điển Sở dĩ được bố trí như vậy là để đảm bảo tầm quan sát của người lái,đặt biệt là khi vượt xe

b) Phân loại theo kết cấu của cơ cấu lái

+ Cơ cấu lái kiểu trục vít glôbôit - con lăn

+ Cơ cấu lái kiểu trục vít - cung răng

+ Cơ cấu lái kiểu bánh răng - thanh răng

c) Theo số lượng bánh xe chuyển hướng chia ra

+ Các bánh xe dẫn hướng nằm ở cả hai cầu

+ Các bánh xe dẫn hướng ở tất cả các cầu

d) Theo kết cấu và nguyên lí làm việc của bộ cường hoá lái chia ra

+ Cường hoá thuỷ lực

+ Cường hoá khí (khi nén hoặc chân không)

+ Cường hoá điện

+ Cường hoá cơ khí

+ Cường hóa điều khiển điện tử

Ngoài ra còn có thể phân loại theo: Số lượng các bánh xe dẫn hướng (các bánh dẫnhướng chỉ ở cầu trước, ở hai cầu hay tất cả các cầu), theo sơ đồ bố trí trợ lực lái

1.2 Cấu tạo chung của hệ thống lái trên ô tô

Trong trường hợp tổng quát hệ thống lái gồm có những bộ phận chính: vành tay lái, trục lái, cơ cấu lái, truyền động lái, bánh xe dẫn hướng

1- Vành tay lái; 2- Trục lái; 3- Cơ cấu lái; 4- Đòn quay đứng;

5- Đòn kéo dọc; 6- Đòn quay trên; 7,9- Đòn quay bên;

8- Đòn ngan liên kết; 10-Dầm cầu; 11,12- Bánh xe dẫn hướng

1.2.1 Vành tay lái và trục lái

+ Vành tay lái có nhiệm vụ tạo ra mômen điều khiển tác động lên hệ thống lái.Mômen điều khiển này có giá trị bằng lực người lái tác động nhân với bán kính vànhlái

+ Trục lái có nhiệm vụ truyền mômen điều khiển từ vành lái đến cơ cấu lái

+ Trên vành tay lái và trục lái thường bố trí các thiết bị điều khiển phục vụ quátrình điều khiển, sử dụng ô tô như: còi, công tắc điện điều khiển đèn, gạt nước mưa

Hình 1.2: Vành tay lái và trục lái 1: Vành tay lái; 2: Ống trượt trục lái; 3: Trục lái; 4: Cơ cấu trượt trục lái

+ Trục lái thường có hai loại: Trục lái có thể thay đổi góc nghiêng và trục lái không

thay đổi được góc nghiêng

- Trục lái có thể thay đổi góc nghiêng: Giúp cho lái xe điều chỉnh góc vô lăng sovới phương thẳng đứng tùy theo khổ người và sở thích của lái xe

- Trục lái không thay đổi được góc nghiêng (trục lái trượt): Giúp cho lái xe dịchchuyển vô lăng theo phương dọc trục tùy theo khổ người và sở thích của lái xe

1.2.2 Cơ cấu lái

Chuyển đổi mômen lái và góc quay từ vô lăng truyền tới bánh xe thông qua thanhdẫn động lái và xe quay vòng Cơ cấu lái được bắt chặt với thân xe

Các cơ cấu lái thông dụng

 Trục vít - Cung răng

là hình thang, trục vít và cung răng tiếp xúc nhau theo đường nên toàn bộ chiều dài củacung răng đều truyền tải trọng

1- Ổ bi; 2- Trục vít; 3- Cung răng; 4-Vỏ

Ưu điểm: Cơ cấu lái trục vít cung răng có ưu điểm là giảm được trọng lượng và

kích thước so với loại trục vít bánh răng Do ăn khớp trên toàn bộ chiều dài của cungrăng nên áp suất trên răng bé, giảm được ứng suất tiếp xúc và hao mòn

Nhược điểm: Tuy nhiên loại này có nhược điểm là có hiệu suất thấp

Phạm vi sử dụng: được sử dụng rộng rãi trên xe con và xe tải nhỏ

 Trục vít – con lăn

Trục vít lõm liên kết với vàng lái thông qua trục quay, trục các đăng trục có rendạng thanh răng, đặt quay trên 2 ổ bi côn, không di chuyển dọc, giữ vai trò chủ động.Con lăn đặt quay trên trục con lăn nhờ các ổ bi lăn kim

Con lăn dạng tầng ăn khớp với trục vít Trục vít con lăn được bố trí nghiêng phùhợp với chiều nâng của ren trục vít Con lăn dịch chuyển quay theo răng trục vít, dẫnđộng trục đòn quay đứng, là phần bị động con lăn và trục trong kết cấu là biến hìnhcủa bánh vít ăn khớp và trục vít lõm

Đầu ngoài trục của đòn quay đứng có then hoa để lắp với đòn quay đứng Nhờ ổ

bi kim, một phần lực ma sát trượt được thay thế một phần bằng ma sát lăn, đảm bảo

Hình 1.3: Cơ cấu lái trục vít cung răng

hạn chế tổn thất năng lượng ảnh cho ma sát và suy giảm hiệu suất thuận của cơ cấu lái,nâng cao tuổi thọ của kết cấu.

Tâm trục của trục vít lõm và tâm quay của con lăn ăn được bố trí lệch nhau mộtkhoảng, nhằm đảm bảo khả năng điều chỉnh ảnh cơ cấu lái khi mòn

1- Trục vít; 2- Trục các đăng; 3- Con lăn;

4- Con lăn ba răng; 5- Trục trục quay đứng

+ Nhờ trục vít có dạng glô-bô-it cho nên tuy chiều dài trục vít không lớn nhưng

sự tiếp xúc các răng ăn khớp được lâu hơn và trên diện rộng hơn, nghĩa là giảm được ápsuất riêng và tăng độ chống mài mòn

+ Tải trọng tác dụng lên chi tiết tiếp xúc được phân tán tùy theo cỡ ôtô mà làmcon lăn có hai đến bốn vòng ren

+ Mất mát do ma sát ít hơn nhờ thay được ma sát trượt bằng ma sát lăn

+ Có khả năng điều chỉnh khe hở ăn khớp giữa các bánh răng, điều này cho phéptriệt tiêu sự ăn mòn khi ăn khớp bằng cách điều chỉnh trong quá trình sử dụng

Nhược điểm: Chế tạo phức tạp, tuổi thọ kết cấu không cao, khó bảo dưỡng sửa

chữa

Phạm vi ứng dụng: Loại cơ cấu lái trục vít globoit con lăn thường được lắp trên xe

con có cầu sau chủ động và xe tải lớn

Hình 1.4: Cơ cấu lái trục vít - con lăn

Cơ cấu lái kiểu bánh răng – thanh răng gồm bánh răng ở phía dưới trục lái chính

ăn khớp với thanh răng, bánh răng được lắp trên các ổ bi Điều chỉnh các ổ này dùngêcu lớn ép chặt ổ bi, trên vỏ êcu đó có phớt che bụi đảm bảo trục răng quay nhẹ nhàng

Thanh răng có cấu tạo dạng răng nghiêng, phần cắt răng của thanh răng nằm ởphía giữa, phần thanh còn lại có tiết diện tròn

Cơ cấu lái đặt trên vỏ xe để tạo góc ăn khớp lớn cho bộ truyền răng nghiêng,trục răng đặt nghiêng ngược chiều với chiều nghiêng của thanh răng, nhờ vậy sự ănkhớp của bộ truyền lớn,do đó làm việc êm và phù hợp với việc bố trí vành lái trên xe

1- Bánh răng ; 2- Thanh răng; 3- Lò xo nén; 4- Ổ bi đỡ;

Dưới đây là sơ đồ lắp đặt của cơ cấu lái bánh răng - thanh răng:

1- Khớp nối; 2- Thanh răng

Bánh răng có thể răng thẳng hay răng nghiêng Thanh răng trượt trong các ốngdẫn hướng Để đảm bảo ăn khớp không khe hở, bánh răng được ép đến thanh răng bằngêcu

Ưu điểm:

+ Có tỷ số truyền nhỏ, iω nhỏ dẫn đến độ nhạy cao Vì vậy được sử dụng rộng rãitrên các xe đua, du lịch, thể thao

+ Hiệu suất cao

+ Kết cấu gọn, đơn giản, dễ chế tạo

+ Không sử dụng được với hệ thống treo trước loại phụ thuộc.

+ Tăng va đập từ mặt đường lên vô lăng

Phạm vi sử dụng: Cơ cấu lái này được sử dụng phổ biến trên các loại xe từ 4 đến

5 chỗ ngồi

1.2.3 Hệ dẫn động lái

Dẫn động lái bao gồm tất cả những chi tiết truyền lực từ cơ cấu lái đến ngõngquay của bánh xe Vì vậy dẫn động lái trên xe phải đảm bảo các chức năng sau:

+ Nhận chuyển động từ cơ cấu lái tới các bánh xe dẫn hướng

+ Đảm bảo quay vòng của các bánh xe dẫn hướng sao cho không xảy ra hiệntượng trượt bên lớn ở tất cả các bánh xe, đồng thời tạo liên kết giữa các bánh xe dẫnhướng

+ Phần tử cơ bản của dẫn động lái là hình thang lái tạo bởi cầu trước, đòn kéongang và đòn kéo bên Nhờ hình thang lái nên khi quay vô lăng một góc thì các bánh xedẫn hướng sẽ quay đi một góc nhất định

a) Đòn quay đứng

Đầu trên được bắt chặt với trục quay của đòn quay đứng bằng rãnh then hoa, đầu

dưới được nối với đòn kéo dọc thông qua các khớp cầu (rô tuyn).

Cấu tạo của đòn quay có dạng thanh gồm thân đòn quay, đầu to và đầu nhỏ

Hình 1.7: Đòn quay

b) Đòn kéo dọc

Là một chi tiết dạng ống cầu, một đầu bắt với đòn quay đứng và đầu kia bắt với

đòn quay ngang, qua các khớp cầu (rô-tuyn).

Tuỳ theo phương đặt đòn kéo mà ta có thể gọi đòn kéo dọc hoặc đòn kéo ngang

c) Đòn quay ngang

đòn ngang được nối với 2 thanh bên hình thang lái thông qua các khớp cầu (rô-tuyn).

Hình 1.8: Khớp cầu 1- Đệm đầu đòn ngang phía trước; 2- Đệm đầu đòn ngang phía sau;

3- Đệm đầu đòn lái ngang bên trái; 4- Nắp đầu đòn ngang;

A-Khoang chứ dầu mỡ ; B- Kích thước.

d) Khớp cầu

Hình 1.9: Khớp cầu 1- Chốt cầu; 2- Thanh kéo; 3- Vú mỡ; 4- Lò xo; 5- Nắp; 6- Vòng hãm;

7,11- Dệm làm kín; 8- Áo bọc; 9,10,13- Đệm; 12- Ống cao su bảo vệ

Lò xo 7 sẽ ép các đệm của khớp 1 vào chốt câu 8, do đó độ rơ ở đây luôn luôn bằngkhông(cả trong trường hợp do chốt cầu và 2 đệm bị mòn sau 1 thời gian làm việc) Lò

xo 7 được ép nhờ nút có răng 3 Các lò xo này được bố trí trong các khớp của dẫn độnglái, nó còn có tác dụng giảm được các tải trọng va đập tác động lên các đòn kéo từ haiphía và giảm mòn cho cốt cầu và miếng đệm

e) Hình thang lái

Hình thang lái là bộ phận quan trọng nhất của dẫn động lái Hình thang lái cónhiệm vụ đảm bảo động học quay vòng đúng cho các bánh xe dẫn hướng Mục đích làmcho các bánh xe khỏi trượt lê khi quay vòng, dẫn đến giảm sự mài mòn lốp, giảm tổnhao công suất và tăng tính ổn định

Hình thang lái có nhiều dạng kết cấu khác nhau Đòn ngang có thể cắt rời hayliền tuỳ theo hệ thống treo là độc lập hay phụ thuộc Nhưng dù trường hợp nào thì kếtcấu của hình thang lái củng phải phù hợp với động học bộ phận hướng của hệ thốngtreo, để dao động thẳng đứng của các bánh xe không ảnh hưởng đến động học của dẫnđộng, gây ra dao động của bánh xe dẩn hướng quanh trục quay

Hình học lái là thuật ngữ biểu đạt mối quan hệ hình học trong hệ thống mặt

đường- bánh xe - các bộ phận của hệ thống lái- các bộ phận của hệ thống treo

Góc doãng (góc camber) là góc tạo bởi mặt phẳng quay bánh xe và mặt phẳng

thẳng đứng, chiều dương ngược chiều kim đồng hồ khi nhìn từ đầu xe Gồm có gócdoãng âm và góc doãng dương

Hình 1.10: Góc doãng

Góc nghiêng dọc của trụ xoay đứng (Góc Caster) là sự nghiêng về phía trước

hoặc phía sau của trục xoay so với đường thẳng góc với mặt đường Nếu đầu trên trụcxoay nghiêng ra phía sau bánh xe ta có độ nghiêng dọc dương Nếu đầu trên trục xoaynghiêng ra phía trước bánh xe ta có độ nghiêng dọc âm

Tác dụng của góc nghiêng dọc của trụ xoay đứng: Làm tăng hiệu quả trở về vị tríchuyển động thẳng của bánh xe dẫn hướng

a- Góc nghiêng dọc dương; b- Góc nghiêng dọc âm.

Góc nghiêng ngang của trụ xoay đứng (Góc Kingpin) là góc đo giữa trục xoay và

đường thẳng góc với mặt đường khi ta nhìn từ đầu xe

Tác dụng góc nghiêng ngang của trụ xoay đứng:

Góc nghiêng ngang của trụ xoay đứng có tác dụng làm giảm mômen cản quayvòng, tức là giảm khoảng cách từ tâm trụ xoay đứng đến điểm tiếp xúc của bánh xe vớimặt đường

Ô tô có khả năng tự ổn định trở về vị trạng thái chuyển động thẳng

Khi ô tô quay vòng với góc quay vành tay lái lớn (bán kính quay vòng càngnhỏ), lực tác động lên vành tay lái càng lớn, tức tạo điều kiện cảm nhận được mức độquay vòng của ô tô trên vành tay lái và khả năng trả về chuyển động thẳng càng lớn

Độ chụm bánh xe (Góc Toe): Khi phía trước của hai bánh xe gần nhau hơn phía sau

của hai bánh xe khi nhìn từ trên xuống thì gọi là độ chụm bánh xe (sự bố trí ngược lạigọi là độ mở) Độ chụm được xác định bằng hiệu số của hai khoảng cách giữa các đầunút sau (B) và trước (A) của vành bánh xe nằm ở chiều cao tâm bánh xe

Hình 1.11: Góc nghiêng dọc

Hình 1.12: Góc nghiêng ngang của trụ xoay đứng

Có 2 phương pháp bố trí dẫn động lái điển hình được trình bày theo hình dưới đây:

 Dẫn động hình thang lái bốn khâu (Hình thang lái Đantô)

Hình thang lái bốn khâu đơn giản dễ chế tạo đảm bảo được động học và động lựchọc quay vòng các bánh xe Nhưng cơ cấu này chỉ dùng trên xe có hệ thống treo phụthuộc (lắp với dầm cầu dẫn hướng) Do đó chỉ được áp dụng cho các xe tải và những

xe có hệ thống treo phụ thuộc, còn trên xe du lịch ngày nay có hệ thống treo độc lậpthì không dùng được

 Dẫn động hình thang lái 6 khâu.

Dẫn động lái sáu khâu được lắp đặt hầu hết trên các xe du lịch có hệ thống treođộc lập lắp trên cầu dẫn hướng

Hình 1.14: Dẫn động lái 4 khâu

Ưu điểm của dẫn động lái sáu khâu là dễ lắp đặt cơ cấu lái, giảm được khônggian làm việc, bố trí cường hoá lái thuận tiện ngay trên dẫn động lái.

Hiện nay, dẫn động lái sáu khâu được dùng rất thông dụng trên các loại xe du lịchnhư: Toyota, Nisan…

f) Các mối ghép của dẫn động lái

Để giảm trọng lượng và tiết kiệm nguyên vật liệu chế tạo, các đòn dẫn động láithường được làm rỗng Các khớp liên kết trong dẫn động lái đều là khớp cầu, đảm bảokhả năng tự lựa, không có khoảng hở

Hình 1.16: Kết cấu liên kết đòn dẫn động ngang và cụm khớp cầu

1.2.4 Trợ lực lái

a) Công dụng:

Hình 1.15: Dẫn động lái 6 khâu

Giảm nhẹ sức lao động của người lái trong việc điều khiển hướng chuyển độngcủa xe, đặc biệt với những xe có tải trọng lớn có mô men cản quay vòng lớn Trợ lực láicòn có ý nghĩa nâng cao an toàn chuyển động khi có sự cố xẩy ra ở bánh xe ( nổ lốp, ápsuất lốp quá thấp ) làm giảm tải trọng va đập truyền lên vành lái, tăng tính tiện nghi và

êm dịu trong điều khiển

- Hệ thống trợ lực kiểu van ống

- Hệ thống trợ lực kiểu van quay

- Hệ thống trợ lực kiểu van cánh

c) Yêu cầu

Trợ lực lái phải đảm bảo các yêu cầu chính sau:

+ Khi trợ lực lái hỏng thì hệ thống lái vẫn làm việc bình thường cho dù lái nặnghơn

+ Hệ thống trợ lực có độ nhạy cao, làm việc ổn định, thời gian chậm tác dụngnhỏ

+ Đảm bảo sự tỷ lệ giữa góc quay vô lăng và góc quay bánh xe dẫn hướng

+ Khi sức cản quay vòng tăng lên thì lực yêu cầu tác dụng lên vô lăng cũng tăngtheo, tuy vậy không được vượt quá 100 -150 N

+ Không xảy ra hiện tượng tự trợ lực khi xe đi qua chổ lồi lỏm, rung xóc

+ Kết cấu đơn giản, hợp lý, giá thành phù hợp

Phải có tác dụng như thế nào để khi một bánh xe dẫn hướng bị hỏng, bị nổ thìngười lái có thể vừa phanh ngặt vừa giữ được hướng chuyển động cần thiết của xe

1.2.5 Các thông số đánh giá hệ thống lái

a) Tỷ số truyền của cơ cấu lái

Tỷ số truyền của cơ cấu lái ic là tỷ số là góc quay của bánh lái và góc quay củađòn quay đứng Vấn đề chọn tỷ số truyền của cơ cấu lái trên cơ sở ứng với 1 đến 2 vòngquay của vô lăng thì bánh xe phải quay được từ 350 - 450 từ vị trí trung gian trở đi

Tỷ số truyền này phụ thuộc vào kích thước và quan hệ của các cánh tay đòn.Trong quá trình bánh xe dẫn hướng quay vòng giá trị của các cánh tay đòn sẽ thay đổi.Trong các kết cấu hiện nay id thay đổi không nhiều lắm: id = 0,9 ÷ 1,2

c) Tỷ số truyền lực của hệ thống lái i l

Là tỷ số giữa tổng lực cản quay vòng tác dụng lên bánh xe dẫn hướng và lực đặtlên vành lái cần thiết để khắc phục lực cản quay vòng Bán kính vành tay lái ở đa số ô

tô hiện nay là 200 (mm) – 250 (mm) và tỷ số truyền góc ig không vượt quá 25 vì vậy il

không được lớn quá, il hiện nay chọn trong khoảng từ 10 ÷ 30

d) Hiệu suất thuận

Hiệu suất thuận là hiệu suất tính theo lực truyền từ trên trục lái xuống Hiệu suấtthuận càng cao thì lái càng nhẹ Khi thiết kế hệ thống lái yêu cầu phải hiệu suất thuậncao

e) Hiệu suất nghịch

Hiệu suất nghịch là hiệu suất tính theo lực truyền từ đòn quay đứng lên trục lái.Nếu hiệu suất nghịch rất bé thì các lực va đập tác dụng lên hệ thống chuyển động của ô

tô sẽ không truyền đến bánh lái được vì chúng bị triệt tiêu bởi ma sát trong cơ cấu lái

1.3 Giới thiệu về Toyota Fortuner

1.3.1 Các thông số cơ bản

Hãng Toyota là một hãng xe vô cùng nổi tiếng của Nhật Bản và rất phổ biếnkhông chỉ ở Việt Nam mà còn trên thế giới bởi vì Toyota mang đến cho khách hàngnhững chiếc ô tô bền bỉ, hiệu năng tốt và giá cả hết sức hợp lý

Toyota Fortuner là mẫu xe SUV 7 chỗ gia đình dẫn đầu trong phân khúc vớidoanh số bán hàng tháng ổn định ở mức cao, cách biệt khá xa so với các đối thủ FordEverest, Kia Sorento, Mitsubishi Pajero Sport Mẫu xe này ghi  với kiểu dáng thiết kễmạnh mẽ, năng động, không gian cabin rộng rãi cho 7 người cùng khả ăng vận hành ổnđịnh, bền bỉ

Không cần phải bàn tới những giá trị vốn đã định hình từ lâu trong tâm trí ngườidùng Việt về Toyota Fortuner, một chiếc xe đa dụng nhiều tiện ích và là bạn đườngđáng tin cậy Việc nằm trong Top những xe bán chạy nhất tại thị trường Việt Nam suốtnhiều tháng liền, điều này cũng có thể lý giải phần nào sức hút và độ quan tâm củangười dùng dành cho chiếc xe 7 chỗ Toyota Fortuner

 Thiết kế ngoại thất:

Hình 1.17: Hình ảnh thực tế Toyota Fortuner 2015

Thiết kế của Toyota Fortuner vẫn giữ nguyên lối thiết kế mạnh mẽ đặc trưng,nhưng đã được cách tân thêm nhiều đường nét mượt mà và tinh tế hơn so với thế hệ cũ.Mặt trước gây ấn tượng với cặp đèn pha hình lưỡi dao vuốt ngược công nghệ LED, lướitản nhiệt gồm các thanh ngang cỡ lớn mạ chrome, hốc hút gió nối liền với 2 hốc đènsương mù. Ở 2 bên thân xe, vị trí cột C  trông bắt mắt hơn cùng với bộ la-zăng hợp kim18-inch có 12 chấu xen kẽ

Toyota Fortuner phiên bản trang bị động cơ Diesel có kích thước tổng thể 4.746

x 1.848 x 1.850 (mm) tương ứng Dài x Rộng x Cao, Các phiên bản động cơ xăng cókích thước nhỏ hơn với dài x rộng x cao tương ứng 4705 x 1840 x 1850 (mm), chiều dài

cơ sở tương đồng 2.750 mm và khoảng sáng gầm 220 mm ở tất cả các phiên bản

Các thống kỹ thuật cơ bản về xe Toyota Fortuner 2015 được thể hiện trong Bảng 1 1

Hình 1.18: Kích thước cơ bản của Toyota Fortuner 2015

STT Thông số Giá trị Đơn vị

7 Hệ thống phanh Thuỷ lực trợ lực chân không hai dòng độc lập

13 Hệ thống treo + Treo trước: độc lập, tay đòn kép

+ Treo sau: phụ thuộc, liên kết 4 điểm

14 Mức tiêu hao nhiên liệu

+ Xa lộ: 10.2+ Đô thị: 16.1+ Kết hợp: 12.4

L/100Km

+ Đèn chiếu xa Halogen phản xạ đa chiều

+ Toyota Fortuner 2015 sử dụng động cơ 4 xylanh thẳng hàng với dung tíchxylanh 2.694 cc sử dụng công nghệ phối khí thông minh VVT-i đặc trưng của hãngToyota, với khối động cơ này cho ra công suất 158 mã lực tại 5200 vòng/phút vàmomen xoắn cực đại đạt 241 Nm tại 3800 vòng/phút.

+ Hệ thống bôi trơn hỗn hợp cưỡng bức: Bôi trơn cưỡng bức kết hợp bơm vàvung té

+ Hệ thống làm mát động cơ là hệ thống làm mát bằng nước với việc sử dụngnước SLLC ( một loại nước làm mát của TOYOTA)

1.3.3 Hệ thống điều khiển

a) Hệ thống lái

Hệ thống lái của ô tô Toyota Fortuner là hệ thống lái có trợ lực Cấu tạo của hệthống lái bao gồm: vành tay lái, trục lái, các đăng truyền động, cơ cấu lái, bộ trợ lựcthuỷ lực và dẫn động lái Trên ô tô Toyota Fortuner 2015 người ta bố trí cơ cấu lái và

bộ trợ lực lái riêng thành hai cụm

Phương án bố trí này có ưu điểm:

+ Kết kấu cơ cấu lái nhỏ gọn

+ Dễ bố trí bộ trợ lực lái

+ Tăng tính thống nhất sản phẩm

+ Giảm tải trọng tác dụng lên các chi tiết của hệ thống lái

Nhược điểm: Kết cấu kém cứng vững, chiều dài các đường ống lớn dẫn đến tăngkhả năng dao động các bánh xe dẫn hướng

Tay lái có thể điều chỉnh theo 4 hướng: gật gù và xa-gần đến vị trí thích hợp làm tăng sự thoải mái cho người lái

Cơ cấu lái là loại bánh răng -thanh răng Loại này có kết cấu nhỏ gọn, tỷ sốtruyền nhỏ, độ nhạy cao, chế tạo đơn giản và hiệu suất cao

Bộ trợ lực thuỷ lực có nhiệm vụ làm giảm nhẹ lực điều khiển của người lái, làmgiảm bớt các lực va đập sinh ra do đường xấu truyền lên vô lăng Bộ trợ lực còn làmtăng tính an toàn khi có một bánh xe dẫn hướng bị nổ Vì lúc đó người lái đủ sức giữtay lái cho xe chuyển động thẳng và vừa thực hiện phanh ngặt

động từ trục khuỷu động cơ thông qua dây đai.

1- Vành tay lái; 2- Trục lái; 3- Bình dầu trợ lực; 4- Bơm trợ lực; 5- Ống tản

nhiệt dầu trợ lực; 6- Thước lái; 7- Van phân phối; 8- Thanh nối; 9- Rotyn lái

Nguyên lý hoạt động của hệ thống lái: Khi vô lăng ở vị trí xe chạy thẳng thì

không có mô men quay tác động xuống trục lái, các van điều khiển vẫn ở vị trí trunggian nên dầu từ bơm trợ lực không vào buồng nào của xilanh mà quay trở lại bình chứa

Khi đánh vô lăng xoay thì có môn men quay truyền xuống trục lái rồi truyềnxuống cơ cấu lái, thanh xoắn trong cơ cấu lái xoắn lại làm các van điều khiển ở cơ cấulái mở đường dầu đi tới một khoang của xi lanh trợ lực, đẩy dầu trong khoang còn lại vềkhoảng giữa của thanh xoắn và trục van điều khiển rồi đưa về bình dầu chứa, khi đó xe

Hình 1.19: Sơ đồ bố trí hệ thống lái trên xe Fortuner

nên khi phanh lực tác dụng lên pistông xilanh chính bao gồm cả lực của người lái và lựccủa bộ trợ lực phanh.

+ Xe Toyota Fortuner còn được trang bị hệ thống chống bó cứng phanh ABS

(Anti – Lock Brake System).

c) Hệ thống treo

+ Bộ treo trước sử dụng hệ thống treo độc lập tay đòn kép

+ Bộ treo sau sử dụng hệ thống treo phụ thuộc liên kết 4 điểm

1.4 Lựa chọn phương án thiết kế

Thông qua những phương án được phân tích ở trên và tìm hiểu thực tế về xe cơ

sở - Toyota Fortuner, em xin được chọn phương án thiết kế hệ thống lái kiểu bánh răng– thanh răng, dẫn động lái 6 khâu,trợ lực lái là trợ lực lái thủy lực

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

1- Đai ốc hãm; 2- Khớp cầu; 3- Đòn quay đứng; 4- Đai ốc dầu; Đường dầu từ bơm đến; 6- Đường dầu hồi từ bình chứa; 7- Hộp điều khiển lái; 8- Vô lăng; 9- Trục lái;10-Trục các đăng; 11- Khớp các đăng;

5-12- Đai ốc định vị trục van điều khiển;13- Cơ cấu lái; 14- Bu long; Đường dầu nối giữa khoang phải xylanh với van xoay; 16- Đường dầu nối giữa khoang trái xy lanh với van xoay; 17- Xy lanh trợ lực;18- Đai

15-ốc dầu; 19- Thanh kéo ngang; 20- Thanh kéo bên; 21- Đai 15-ốc Bánh xe; 23- Puly; 24- Bơm; 25- Bình chứa dầu; 26- Đai ốc dầu.

hãm;22-Hình 1.20: Sơ đồ bố trí hệ thống lái theo phương án thiết kế

2.1 Tính toán các thông số cơ bản của hệ thống lái

2.1.1 Xác định góc quay lớn nhất của các bánh xe dẫn hướng

B: Khoảng cách giữa hai đường tâm trụ đứng,

B = 1540 – 2a= 1540- 2.60= 1420 (mm)

¿>α max =arctg¿

Góc quanh lớn nhất của các bánh xe dẫn hướng phía trong quanh trụ đứng được tính theo công thức :

cotg β max −cotgα max = B

¿>β max =arccotg α max + B L

= rccotg¿ ) = 28,620

2.1.2 Xác định và phân phối tỷ số truyền của hệ thống lái

Tỷ số truyền của hệ thống lái (tỉ số truyền động học) bằng tỷ số góc quay củatrục vành tay lái và góc quay tương ứng của cam quay hay bánh xe dẫn hướng Tỷ sốtruyền này một mặt phải đủ lớn để ứng với một lực nhất định nào đó tác động vào vànhtay lái sẽ làm quay được bánh xe dẫn hướng trong những điều kiện nặng nhọc nhất, đó

là khi quay vòng tại chỗ trên mặt đường nhựa khô, xe đầy tải

Với xe tham khảo là xe du lịch có bố trí trợ lực lái nên tỷ số truyền của hệ thống lái i

= 12 ¿ 20, vì tỷ số truyền của dẫn động lái ta chọn i dđ = 1 nên ta chọn tỷ số truyền của

cơ cấu lái cần thiết kế là i cc = 17 Tỉ số truyền của hệ thống lái xác định theo công thức:

α ' max : gọi là vòng quay vành lái lớn nhất từ vị trí đi thẳng.

α max : góc quay vòng lớn nhất của bánh xe dẫn hướng α max=37,23 0

i l : tỷ số truyền của hệ thống lái i l=17

Thay số (2.4) vào ta được:

α ' max=(37,23360¿¿0 17) =1,75 (vòng)¿

 Phù hợp với tiêu chuẩn thiết kế.

Trong quá trình thiết kế tính toán hệ thống lái, lực đặt lên vành tay lái được xácđịnh cho trường hợp ô tô quay vòng tại chỗ vì lúc này lực cản quay vòng đạt giá trị cựcđại Mômen cản quay vòng tại một bánh xe và mặt đường bao gồm 3 thành phần :mômen cản lăn M1, mômen ma sát giữa bánh xe và mặt đường M2, và mômen ổn định

M3 gây nên bởi các góc đặt của bánh xe trụ đứng :

Mômen cản lăn được xác định theo công thức :

Trong đó :

M 1 : Mô men tác dụng lên một bánh xe dẫn hướng

G bx : Trọng lượng tác dụng lên một bánh xe dẫn hướng

G 1 : Khối lượng phân bố lên trục trước

Trọng lượng của xe khi có tải là 2350 kG = 23500 N.

m

 e

Do ô tô có động cơ đặt ở trước nên khi tính toán lấy 60% tải trọng đặt lên cầutrước, 40% tải trọng đặt lên cầu sau Vậy trọng lượng đặt lên cầu trước là G1 = 9400 N

Gbx = G1

2 = 94002 =4700(N )

f: hệ số cản lăn; xét trường hợp xe chạy trên đường nhựa và khô f = 0,02

a: chiều dài cánh tay đòn; với xe tham khảo chọn a = 60 (mm).

Thay số vào (2.6) ta có :

=> M1 = Gbx.f.a = 4700 0,02 0,06 = 5,64 (Nm)

Khi mômen quay vòng tác dụng lên bánh xe, tại khu vực tiếp xúc giữa bánh xe vàmặt đường sẽ xuất hiện lực ngang Y Do lốp có tính đàn hồi nên lực Y làm vết tiếp xúc

bị lệch so với trục bánh xe như hình vẽ và vì vậy lực này nằm cách trục bánh xe 1 đoạn

x Điểm đặt lực ngang Y được thừa nhận bằng 1/4 chiều dài của bề mặt tiếp xúc giữalốp với đường về phía sau

Với bánh xe có kí hiệu : 265/65R17 ta xác định được :

số α Khi đó mômen cản quay vòng tại 1 bánh xe dẫn hướng được tính theo công thức :