đề tài tính toán thiết kế hệ thống lái ô tô

- Hệ thống trợ lực phải chính xác, tính chất tuỳ động đảm bảo phối hợp chặt chẽ giữa sự tác động của hệ thống lái và sự quay vòng của bánh xe dẫn hướng.. Theo cách bố trí vành tay lái- H

LỜI NÓI ĐẦU 2

Phần 1 Tổng quan về hệ thống lái 3

Phần 2 Tính toán và phân phối tỷ số truyền 6

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

KẾT LUẬN 26

TÀI LIỆU THAM KHẢO 27

Ngày nay với sự phát triển của nền khoa học kỹ thuật, ngành công nghiệp ôtô đã chế tạo

ra nhiều loại ôtô với hệ thống lái có tính năng kỹ thuật rất cao để đảm bảo vấn đề an toàn và tính

cơ động của ô tô

Trong tập đồ án môn học này em được nhận đề tài “Tính toán Thiết kế hệ thống lái ô tô” Nội dung của đề tài này giúp em hệ thống được những kiến thức đã học, nâng cao tìm hiểu các hệ thống của ôtô từ cổ điển đến hiện đại, từ đây có thể đi sâu nghiên cứu về chuyên môn.Được sự hướng dẫn rất tận tình của thầy giáo Vũ Văn Định, cùng với sự nổ lực của bản thân, em đã hoàn thành nhiệm vụ của đề tài này Vì thời gian và kiến thức có hạn nên trong tập

đồ án này không thể tránh khỏi những sai sót nhất định Vì vậy em mong các thầy, trong bộ mônđóng góp ý kiến để đề tài của em được hoàn thiện hơn

TP.HCM , ngày tháng năm 2021

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Hoàng Sơn

Phần 1 Tổng quan về hệ thống lái 1.1 Công dụng và phân loại

Dựa vào yêu cầu tối thiểu về sự an toàn của xe và hàng thì hệ thống lái phải có các yêu cầu sau:

- Đảm bảo tính năng vận hành cao của ôtô có nghĩa là khả năng quay vòngnhanh và ngặt trong một thời gian rất ngắn trên một diện tích rất bé

- Lực tác động lên vành lái nhẹ, vành lái nằm ở vị trí tiện lợi đối với người lái

- Đảm bảo được động học quay vòng đúng để các bánh xe không bị trượt lết khi quay vòng

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

- Đảm bảo quan hệ tuyến tính giữa góc quay vành lái và góc quay bánh xe dẫn hướng

- Cơ cấu lái phải được đặt ở phần được treo để kết cấu hệ thống treo trước không ảnh hưởng đến động học cơ cấu lái

- Hệ thống lái phải bố trí sao cho thuận tiện trong việc bảo dưỡng và sửa chữa

1.2 Phân loại

1.2.1 Theo cách bố trí vành tay lái

- Hệ thống lái với vành lái bố trí bên trái (khi chiều thuận đi đường là chiều phải như ở các nước

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

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

Trên một số ô tô tải có trọng tải nhỏ, ô tô du lịch có công suất lít trung bình và nhỏ không bố trí

trợ lực lái, cấu tạo hệ thống lái gồm: cơ cấu lái, dẫn động lái

Hình 1-1: Cấu tạo chung hệ thống lái không có trợ lực.

1-Vành tay lái; 2- trục lái; 3-cơ cấu lái; 4-đòn quay đứng; 5-thanh kéo dọc;

6-đòn quay ngang; 7- cam quay; 8- hình thang lái; 9-Trụ đứng; 10-dầm cầu

Hệ thống lái không sử dụng trợ lực về mặt cấu tạo thì đơn giản hơn hệ thống lái có bố trí trợ lực, thường sử dụng cơ cấu lái loại trục vít- con lăn

1.2.5.2 Hệ thống lái có trợ lực:

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

Hình 1-2: Hệ thống lái có trợ lực xy lanh lực bố trí trên hình thang lái;

van phân phối bố trí tại cơ cấu lái dùng trên các ô tô con.

Phần 2 Tính toán và phân phối tỷ số truyền

Sau khi phân tích đặc điểm chính các cơ cấu lái với xe ô tô con thì ta nên chọn cơ cấu lái loại thanh răng - bánh răng Trong cơ cấu lái thanh răng-bánh răng biến chuyển động xoay tròn của bánh răng thành chuyển động tịnh tiến của thanh răng

M1: Mô men lái đặt trên vành tay lái;

 ig: tỷ số truyền theo góc của hệ thống lái ig< 25

 i1 : trong khoảng 100 - 300

 C: cánh tay đòn quay vòng chọn C = 50mm

Lựa chọn phương án thiết kế

Thông qua những phân tích ở trên và tìm hiểu thực tế về xe Innova em xin được chọn phương án thiết kế hệ thống lái kiểu thanh răng - bánh răng, trợ lực lái là trợ lực lái thủy lực Ta

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

1; Đai ốc hãm; 2 Khớp cầu; 3 Đòm quay đứng; 4 Đai ốc dầu; 5 Đường dầu từ bơm đến; 6 Đường dầu hồi về bình chứa; 7 Hộp lái; 8 Vô lăng; 9 Trục lái; 10 Trục cácđăng; 11 Khớp các đăng; 12 Đai ốc định vị trục van điều khiển; 13O; 14 Gân tăng cứng; 15 Đường dầu nối giữa khoang phải xy lanh với van xoay; 16 Đường dầu nối giữa khoang trái xy lanh với van xoay; 17.Xy lanh trợ lực; 18 Đai ốc dầu; 19.Thanh kéo ngang; 20 Thanh kéo bên; 21 Đai ốc hãm;

22 Bánh xe dẫn hướng; 23 Puly; 24 Bơm; 25 Bình chứa dầu; 26 Đai ốc dầu

Các thông số cho trước

Xe con

Ký hiệu lốp : 6.5 - 16 Trọng lượng phân cho cầu trước : = 9400 N Trọng lượng phân cho cầu sau : = 12350 N Chiều dài cơ sở : L = 2300 m m Khoảng cách giữa 2 tâm trụ đứng trong mặt phẳng chứa hình thang lái B = 1440 mm Bán kính quay vòng nhỏ nhất của bánh xe ngoài phía trước = 6,0 m

Loại cơ cấu lái : Thanh răng – bánh răng Loại hệ thống treo : Độc lập MC Pherson

2.1 Tính toán và phân phối tỉ số truyền

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

độ (2.1)Trong đó:

 Rng min: Bán kính quay vòng nhỏ nhất của bánh xe ngoài phía trước

 a: Khoảng cách từ tâm trụ đứng đến tâm lốp của một bánh xe trước (a =50mm)

 L: Chiều dài cơ sở của ô tô, L = 2300 mm

 B: Khoảng cách giữa hai đường tâm trụ đứng, B = 1440 mm

độ

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

2.2 Xác định lực tác dụng lên vành tay lái.

- Xác định mômen cản quay vòngLực tác động lên vành tay lái của ôtô sẽ đạt giá trị cực đại khi ta quay vòng ôtô tại chỗ Lúc đó mômen cản quay vòng trên bánh xe dẫn hướng Mc sẽ bằng tổng số của mômen cản chuyển động M1, mômen cản M2 do sự trượt lết bánh xe trên mặt đường vàmômen cản M3 gây nên bởi sự làm ổn định các bánh xe dẫn hướng.

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

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

 f – hệ số cản lăn f = 0,015

b Momen cản M2

Khi có lực ngang Y tác dụng lên bánh xe thì bề mặt tiếp xúc giữa lốp và đường

sẽ bị lệch đi đối với trục bánh xe Nguyên nhân lệch này là do sự đàn hồi bên của lốp Điểm đặt của lực Y sẽ nằm cách hình chiếu của trục bánh xe một đoạn X về phía sau Đoạn X được thừa nhận bằng nửa khoảng cách của tâm diện tích tiếp xúc đến rìa ngoài của nó theo công thức sau: x=0.5√r2−r bx2 (3.5)

 k- hiệu suất của các khớp thanh kéo Chọn k = 0,8;

 t- hiệu suất của trụ đứng Chọn t = 0,9

 η=0,8×0,9=0,72

* Thay các giá trị M1, M2, M3 và  vào công thức (3.3) ta được:

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

Khi đánh lái trong trường hợp ôtô đứng yên tại chỗ thì lực đặt lên vành tay lái để thắng được lựccản quay vòng tác dụng lên bánh xe dẫn hướng là lớn nhất Lực lớn nhất đặt lên vành tay lái được xác định theo công thức:

P vl max=

M C R×i c ×i d ×η th (3.6)

Trong đó:

Mc - mômen cản quay vòng Mc = 254,44 (Nm);

R - bán kính vành lái R = 0,18 (m);

ic - tỷ số truyền cơ cấu lái ic = 19,5;

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

id - tỷ số truyền của truyền động lái id = 1

* Thay vào công thức (3.6):

2.4 Thiết kế hình thang lái.

2.4.1.Các thông số cơ bản của hình thang lái.

Theo lý thuyết quay vòng của các bánh xe dẫn hướng: điều kiện quay vòng lý tưởng để các bánh xe không bị trượt bên là:

Cotgi - cotgi = L

B0

(3.1) Trong đó:

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

i – góc quay vòng của bánh xe dẫn hướng ngoài (độ);

B0 – khoảng cách giữa 2 đường tâm trụ đứng (mm);

L – chiều dài cơ sở của xe (mm)

a) Trường hợp xe đi thẳng

Từ sơ đồ dẫn động lái trên hình 2.2 ta có thể tính được mối quan hệ giữa các thông số

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

b) Trường hợp xe quay vòng

Khi bánh xe bên trái quay đi một góc bên phải quay đi một góc , lúc này đòn bên của bánh xe bên phải phải hợp với phương ngang một góc và bánh xe bên trái là

Công thức:

2.4.2 Xác định đặc tính lý thuyết

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

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

Bảng 2.1 Quan hệ giữa và theo lý thuyết

Trong đó:

 : Góc quay của trục bánh xe dẫn hướng bên ngoài

 : Góc quay của bánh xe dẫn hướng bên trong

 L = 2300 mm : Chiều dài cơ sở của xe

 B = 1440 mm : Khoảng cách giữa hai tâm trụ đứng của cầu dẫn hướng

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

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

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

Độ dài thanh kéo ngang là:

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

2.5.1 Xác định bán kính vòng lăn của bánh răng

Chọn chiều dài thanh răng dịch chuyển 1 đoạn là Chọn số vòng quay về 1 phía của vành lái ứng với bánh xe quay là vòng

Ta có công thức:

2.5.2 Xác định các thông số của bánh răng

- Tính số răn theo tài liệu chi tiết máy: (2.9)Trong đó: : đường kính vòng chia

: Mô đun pháp tuyến của bánh răng, chọn theo tiêu chuẩn : Góc nghiêng ngang của bánh răng, chọn sơ bộ góc nghiêng

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

- Tính chính xác lại góc nghiêng, ta có:

- Mô đun ngang của bánh răng:

- Số răng tối thiểu:

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

- Hệ số dịch chỉnh đều

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

+ Đường kính vòng đỉnh:

+ Đường kính chân răng:

+ Góc ăn khớp của bánh răng được chọn theo chi tiết máy + Đường kính cơ sở của bánh răng:

+ Chiều cao răng:

+ Chiều cao đỉnh răng:

+ Chiều dày của răng trên vòng chia:

2.5.3 Xác định kích thước và thông số của thanh răng

- Đường kính của thanh răng được cắt tại mặt cắt nguy hiểm nhất:

Trong đó:

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

 : Momen xoắn gây nên sự nguy hiểm ở thanh răng

Thay vào công thức ta được:

Chọn do chế tạo liền trục

 Chiều dài đoạn làm việc của thanh răng:

 Môđun của thanh răng:

 Bước răng:

 Chiều cao của thanh răng:

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

Chọn số răng trên thanh răng là 26

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

- Góc nghiêng của răng hợp với phương ngang

Chọn

- Vậy góc nghiêng của răng

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

Đối với loại truyền động bánh răng trụ – thanh răng phải đảm bảo cho các răng có độ bền cao Xác định lực tác dụng lên bộ truyền bánh răng trụ – thanh răng

- Mômen tác dụng lên bánh răng trụ:

3.1 Xác định ứng suất cho phép

Trong quá trình làm việc bánh răng trụ, thanh răng chịu ứng suất uốn tiếp xúc và chịu tải trọng

va đập từ mặt đường Vì vậy thường gây ra hiện tương rạn nứt chân răng, do đó ảnh hưởng lớn tới sự tin cậy và tuổi thọ của cơ cấu lái Để đảm bảo được những yêu cầu làm việc của cơ cấu láithì vật liệu chế tạo bánh răng trụ thanh răng được dùng là thép XH được tôi cải thiện, có:

 

700

a Ứng suất tiếp xúc cho phép:

- Giới hạn bền mỏi tiếp xúc của bánh răng:

- Ứng suất tiếp xúc cho phép của bánh răng:

(3.7) Trong đó:

SH - hệ số an toàn; lấy SH = 1,1;

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

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

KXH - hệ số xét ảnh hưởng của kích thước bánh răng; KXH = 1;

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

* Thay các thông số vào công thức (3.7) ta được:

- Ứng suất uốn cho phép của bánh răng [σ F]=σ F ×Y R ×Y S ×K XF (3.9)

b Kiểm nghiệm răng về độ bền tiếp xúc:

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

Trong đó:

ZM - hệ số xét đến cơ tính của vật liệu ZM = 275 (MPa)1/2 (đối với bánh răng bằng thép);

ZH - hệ số xét đến hình dạng bề mặt tiếp xúc, tính theo công thức:

Zε - hệ số xét đến tổng chiều dài tiếp xúc

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

ε α=[1.88−3.2×( 1

Z1+ 1Z2) ]×cos β=[1.88−3.2×(1

9+ 127) ]×cos18∘=1,34

K Hν - hệ số tải trọng động K Hν tính theo công thức:

K Hν=1+

ν H ×b ω ×d ω 2×T×K Hα ×K Hβ

ν H = 1,1; b = d d = 0,6 50 =30

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

(MPa)

c Kiểm nghiệm răng về độ bền uốn:

- Ứng suất uốn được tính theo công thức:

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

 = 0.647 và số răng tương đương

Z td 1=Z1cos3β=9cos318∘=10,47⇒Y F 1=3,3

Z td 2=Z2cos3β=27cos318∘=31,4⇒Y F1=3,2

- Hệ số KFB = 1,25 (tra theo đồ thị 10.14[3])

- Hệ số KFν: Tính theo công thức: K Fν=1+

ν F ×b ω ×d ω 2×T×K Fα ×K Fβ

- Hệ số: Y β =1− β140∘=1−18140∘∘=0 ,87

* Thay các thông số vào công thức (3.11) ta được:

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

L - chiều dài trục lái L = 400 mm = 0,4 m;

G - mô đun đàn hồi dịch chuyển G = 8 104 N/mm2

* Thay các giá trị vào công thức(3.13):

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

Suy ra:    , vậy trục lái đảm bảo góc xoắn tương đối Như vậy trục lái đảm bảo yêu cầu kỹ thuật

3.3 Thiết kế trợ lực lái 3.3.1 Xác định các thông số cơ bản của trợ lực lái

Công trung bình của người lái để quay vòng ô tô được xác định:

: Momen cản khi trục lái dịch chuyển, giá trị này nhỏ lấy bằng 1: Momen cần thiết để xoắn thanh xoắn tới vị trí bắt đầu trợ lực: Hiệu suất vành tay lái tới van xoắn (Hiệu suất truyền lực) chọn bằng 1

Vậy momen cần thiết để bắt đầu mở trợ lực là:

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

Momen cản mà cường hóa phải khắc phục là:

3.3.3 Chỉ số hiệu quả tác dụng trợ lực:

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

3.3.4 Xác định đường kính trong của xilanh lực

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

Trong đó: Đường kính trong của xi lanh: Áp suất cực đại trong hệ thống cường hóa , với xe tham khảo lấy

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

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

Với:

: Tỉ số truyền của cơ cấu lái, : Hiêuk suất của cơ cấu lái

Thay vào biểu thức trên ta được:

3.3.5 Chọn đường kính ngoài và kiểm tra bền xilanh lực

Chọn chiều dày của thành xi lanh là 6 mm thì đường kính ngoài của xi lanh lực là:

Ứng suất tác dụng vành xilanh

Vật liệu làm xi lanh là thép 40 XH có Vậy: -> Xilanh thỏa mãn điều kiện bền

KẾT LUẬN

Sau một thời gian tập trung nghiên cứu tài liệu, khảo sát, tính toán, tìm hiểu thực tế tại

xe, với sự chủ động, nỗ lực cố gắng của bản thân, cộng với sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy

trong Bộ môn ô tô quân sự cùng các bạn đồng nghiệp, em đã hoàn thành bản TKMH: “Thiết kế

tính toán hệ thống lái ô tô”, đủ khối lượng, đúng tiến độ và thời gian.

Trong quá trình thực hiện đồ án em đã đi sâu vào bốn nội dung chính, tương ứng với bốn phần thuyết minh:

Phần 1: Tổng quan về hệ thống lái