tính toán, thiết kế hệ thống lái ôtô tải nhỏ

Ngày nay với sự phát triển của nền khoa học kỹ thuật, ngành côngnghiệp ôtô đã chế tạo ra nhiều loại ôtô với hệ thống lái có tính năng kỹ thuật rấtcao để đảm bảo vấn đề an toàn và tính cơ

LỜI NÓI ĐẦU

Kể từ khi ra đời đến nay ngành cơ khí ô tô không ngừng phát triển và đạtđược thành tựu to lớn

Ngày nay với sự phát triển của nền khoa học kỹ thuật, ngành côngnghiệp ôtô đã chế tạo ra nhiều loại ôtô với hệ thống lái có tính năng kỹ thuật rấtcao để đảm bảo vấn đề an toàn và tính cơ động của ôtô

Trong tập đồ án môn học này em được giao đề tài ” TÍNH TOÁN,THIẾT KẾ HỆ THỐNG LÁI ÔTÔ TẢI NHỎ” Nội dung của đề tài này giúp

em hệ thống được những kiến thức đã học, nâng cao tìm hiểu các hệ thống củaôtô nói chung và hệ thống lái của ôtô tải nói riêng từ đây có thể đi sâu nghiêncứu về chuyên môn

Được sự hướng dẩn rất tận tình của thầy giáo Nguyễn Việt Hải, cùng

với sự nổ lực của bản thân, em đã hoàn thành nhiệm vụ của đề tài này Vì thờigian và kiến thức có hạn nên trong tập đồ án này không thể tránh khỏi nhữngsai sót nhất định Vì vậy em mong các thầy, cô trong bộ môn đóng góp ý kiến

để đề tài của em được hoàn thiện hơn

Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Nguyễn Việt Hải Quađây em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy, cô giáo trong bộ môn đã truyềnđạt cho em rất nhiều kiến thức quý báu trong quá trình học tập ở trường và thờigian làm đồ án

Em xin chân thành cám ơn!

Sinh viên thực hiện

Lê Như Thành

MỤC LỤC

2.5 Loại liên hợp trục vít - êcu bi - thanh răng - cung răng

11

3.1 Sơ đồ hệ thống lái với hệ thống treo độc lập 13

3.2 Sơ đồ hệ thống lái với hệ thống treo phụ thuộc

14

4.3 Xác định mômen tác dụng lên bánh xe dẫn hướng. 16

4.4 Xác định lực cần thiết tác dụng lên vô lăng. 20

4.5 Tính toán động học hình thang lái. 20

1 CÔNG DỤNG, PHÂN LOẠI, YÊU CÂU HỆ THỐNG LÁI.

1.1 Công dụng.

Hệ thống lái là một tập hợp các cơ cấu dùng để

- Giữ cho ôtô chuyên động theo một hướng nào đó

- Thay đổi hướng chuyễn động khi cần thiết theo yêu cầu cơ động củaxe

Hệ thống lái nói chung gồm các bộ phận chính sau:

- Vô lăng, trục lái và cơ cấu lái: dùng để tăng và truyền mômen cho

người lái tác động lên vô lăng đến dẫn động lái

- Dẫn động lái:dùng để truyền chuyễn động từ cơ cấu lái đến các bánh

xe dẫn hướng để đảm bảo tính quay vòng cần thiết của chúng

- Cường hoá lái: thường sử dụng trên xe có tải trọng lớn và vừa Dùng

để giảm nhẹ lực quay vòng cho người lái từ nguồn năng lượng bên ngoài

+ Đảm bảo tính cơ động cao: tức là bánh xe có thể quay vòng thật

ngoặt, trong một thời gian ngắn trên một diện tích bé

+ Đảm bảo động học quay vòng đúng: để các bánh xe không bi trượt

lê gây mòn lốp tiêu hao công suất, giảm tính ổn định của xe

+ Giảm được các va đập: từ bánh xe dẫn hướng lên vô lăng khi xe

chuyễn động trên đường xấu, gặp chướng ngại vật

+ Điều khiển nhẹ nhàng, thuận tiện: lực điều khiển trên vô lăng theo

tiêu chuẫn nghành hay tiều chuẫn quấc gia

1.3.Phân loại.

+ Theo cách bố trí vô lăng: vô lăng bố trí bên trái, vô lăng bố trí bên

+ Theo kết cấu cơ cấu lái:

- trục vít- cung răng

- Trục vít- con lăng

- Trục vít chốt quay

- Bánh răng- thanh răng

- Thanh răng liên hợp (trục vít- thanh răng- cung răng- Ê cu bi)

+ Theo kết cấu cơ cấu lái:

- cường hoá thuỷ lực

- Cường hoá khí nén, chân không

- Cường hoá điện

- Cường hoá cơ khí

+ Ngoài ra còn phân loại theo: số lượng các bánh xe dẫn hướng, theo

sơ đồ bố trí cơ cấu lái

2 CƠ CẤU LÁI.

2.1 Loại trục vít - Cung răng

Hình 2.1 Trục vít lăn - cung răng đặt giữa

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

Hình 2.2 Cơ cấu loại trục vít hình trụ - cung răng đặt bên

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

Cơ cấu trục vít - cung răng có 2 loại:

+ Trục vít - cung răng đặt ở bên cạnh trục vít như hình 1.1

+ Trục vít - cung răng đặt ở giữa trục vít như hình 1.2

Loại cung răng đặt bên có ưu điểm là răng trục vít và cung răng tiếp xúcvới nhau trên toàn bộ chiều dài răng nên ứng suất tiếp xúc và mức độ màimòn giảm, do đó tuổi thọ và khả năng tải tăng Cơ cấu lái loại này dùng thíchhợp cho các loại xe tải cở lớn Nhược điểm cơ bản của loại này là có hiệusuất thấp

Loại trục vít - cung răng đặt giữa, đảm bảo khoảng hở ăn khớp thay đổinhờ các bán kính khác nhau của đường sinh trục vít và vòng tròn cơ sở củacung răng Khi bị mòn khoảng hở ăn khớp tăng lên, người ta khắc phụckhoảng hở này bằng cách đẩy cung răng và trục vít đến gần nhau nhưngkhông cho các vị trí rìa của cung răng bị kẹt Ưu điểm của loại này là có kíchthước và trọng lượng bé nhưng lại có hiệu suất thấp

Trục vít có thể có dạng hình trụ tròn hay glôbôit Khi trục vít có dạngglôbôit thì số răng ăn khớp tăng, dẩn đến giảm được ứng suất tiếp xúc và mài

mòn Ngoài ra còn cho phép tăng góc quay của cung răng mà không cần tăngchiều dài của trục vít

Tỷ số truyền của cơ cấu lái trục vít - cung răng không đổi và xác địnhtheo công thức :

iω =

1

0

2Ζ

0,5 mm Sự thay đổi khe hở được đảm bảo nhờ mặt sinh trục vít và vòng tròn

cơ sở của cung răng có bán kính khác

2.2 Loại trục vít - con lăn

2 Loại này sử dụng rộng rải trên các loại ôtô Nó có ưu điểm :

+ Kết cấu gọn nhẹ

+ Hiệu suất cao do thay thế ma sát trượt bằng ma sát lăn

+ Hiệu suất thuận ηt= 0,77 - 0,82.

+ Hiệu suất ngịch ηn= 0,6.

+ Điều chỉnh khe hở ăn khớp đơn giản và có thể thực hiện nhiều lần

Hình 2.3 Cơ cấu lái trục vít glôbôít - con lăn hai vành.

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.

Để có thể điều chỉnh khe hở ăn khớp, đường trục của con lăn đươc bố trílệch với đường trục của trục vít một khoảng 5 - 7 mm Khi dịch chuyển con lăndọc theo trục quay của đòn quay đứng thì khoảng cách A sẻ thay đổi Do đókhe hở ăn khớp cũng thay đổi

Sự thay đổi khe hở ăn khớp từ vị trí giữa đến vị trí biên được thực hiệnbằng

cách dịch chuyển trục quay O2 của đòn quay đứng ra khỏi tâm mặt trụ chia củatrục vít O1 một lượng x =2,5 - 5 mm

Tỷ số truyền của cơ cấu lái trục vít - con lăn được xác định theo công thứcsau :

iω =

1

2

z t

0

z t

Rk - Bán kính vòng ( tiếp xúc ) giữa con lăn và trục vít ( khoảng cách

từ điểm tiếp xúc đến tâm đường quay đứng ),

R0 - Bán kính vòng chia của bánh răng cắt trục ví,t

i0 - Tỷ số truyền giửa bánh răng cắt và trục vít

Theo công thức trên ta thấy iωthay đổi theo góc quay trục vít Tuy vậy

sự thay đổi này không lớn khoảng từ 5 - 7% ( từ vị trí giửa ra vị trí biên ) Nên

có thể coi như iω = const.

2.3.Trục vít - chốt quay

Ưu điểm: có thể thiết kế với tỷ số truyền thay đổi, theo quy luật bất kỳ

nhờ cách chế tạo bước răng trục vít khác nhau

3 Nếu bước răng trục vít không đổi thì tỷ số truyền được xác định theo côngthức:

4 iω =

t

R

π2 cosϕ

Ở đđy : ϕ - Góc quay của đòn quay đứng

R2 - Bân kính đòn dặt chốt

Hiệu suất thuận vă hiệu suất ngịch của cơ cấu loại năy văo khoảng 0,7

Cơ cấu lâi năy dùng nhiều ở hệ thống lâi không có cường hoâ vă chủ yếu tríncâc ôtô tải vă khâch Tuy vậy do chế tạo phức tạp vă tuổi thọ không cao nínhiện nay ít sử dụng

chốt quay

Hình 2.4 Cơ cấu lâi trục vít - chốt quay

1 - chốt quay ; 2 - Trục vít ; 3 - Đòn quay

2.4 Bânh răng - thanh răng.

Bânh răng có thể răng thẳng hay răng nghiíng Thanh răng trượt trongcâc ống dẩn hướng Để đảm bảo ăn khớp không khe hở, bânh răng được ĩp đếnthanh răng bằng lò xo

+ Ưu điểm :

- Có tỷ số truyền nhỏ, iω nhỏ dẩn đến độ nhạy cao Vì vậy được sử dụngrộng rải trín câc xe đua, du lịch, thể thao

- Hiệu suất cao

- Kết cấu gọn, đơn giản, dể chế tạo

+ Nhược điểm :

- Lực điều khiển tăng ( do iω nhỏ )

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

-Tăng nhạy cảm do va đập từ mặt đường

3

2 1

Hình 2.5 Cơ cấu lái bánh răng - thanh răng

1 - Bánh răng ; 2-lò xo; 3- Thanh răng.

2.5 Loại liên hợp trục vít - êcu bi - thanh răng - cung răng.

Êcu ( 5 ) lắp lên trục vít ( 6 ) qua các viên bi nằm theo rảnh ren của trụcvít cho phép thay đổi ma sát trượt thành ma sát lăn Phần dưới của êcu bi có cắtcác răng tạo thành thanh răng ăn khớp với cung răng trên trục (4 )

Hình 2.6 Cơ cấu lái liên hợp trục vít - êcu bi - thanh răng - cung răng

1 - Trục cung răng ; 2 - Vít điều chỉnh ; 3 -Đệm tỳ ; 4 - Ống dẩn hướng bi ;

7 Ở đây : R2 - Là bán kính chia cung răng

t - Bước răng trục vít

+ Ưu điểm :

- Hiệu suất cao: hiệu suất thuận ηt = 0,7 - 0,85, hiệu suất nghịch

ηn = 0,85.

Do hiệu suất nghịch lớn nên khi lái trên đường xấu sẽ vất vả nhưng ôtô

có tính ổn định về hướng cao khi chuyển động thẳng

- Khi sử dụng với cường hoá thì nhựơc điểm hiệu suất nghịch lớnkhông quan trọng.

- Có độ bền cao vì vậy thường được sử dụng trên các xe cở lớn

+ Qua phân tích ở trên, đối với loại xe tải ta chọn cơ cấu lái loại trục vít

- con lăn,có ưu điểm :

- Kết cấu nhỏ gọn

- Hiệu suất cao:ηt= 0,77 - 0,82, ηn= 0,6

- Điều chỉnh khe hở ăn khớp đơn giản và có thể thực hiện nhiều lần

3 SƠ ĐỒ DẪN ĐÔNG LÁI.

Dẫn động lái bao gồm các chi tiết làm nhiệm vụ truyền từ cơ cấu lái đếncác bánh xe dẫn hướng và đảm bảo tính động học quay vòng của bánh xe dẫnhướng

3.1 Sơ đồ hệ thống lái với hệ thống treo độc lập

+ Dẫn động lái của hệ thống treo độc lập: phần tử hình than lái nằm ởphía trước việc dẫn động thông qua các đòn ngang và các đòn dọc Hệ thốngtreo độc lập có kết cấu đơn giản nhưng khả năng quay vòng không cao, thường

bố trí trên các xe tai, xe khách

1 2

3

4

Hình 3.1 sơ đồ hệ thống lái với hệt thống treo phụ thuộc

1- vô lăng; 2-trục lái; 3-cơ cấu lai; 4- đòn quay ngang

3.2 sơ đồ hệ thống lái với hệ thống treo phụ thuộc

+ Dẫn động lái của hệ thống treo độc lập: khả năng quay vòng rất caonhưng cơ cấu phức tạp phải thông qua nhiều khâu khớp Hệ thống treo độc lậpvùa là bộ phận dẫn hướng vừa là cơ cấu giảm chấn Thông thường bố trí trên xe

-Trọng lượng toàn bộ ô tô : Ga = 2850 (Kg)

- Trọng lượng tác dụng lên cầu trước : G1 = 1050 (Kg)

- Trọng lượng tác dụng lên cầu sau : G2 =1800 (Kg)

- Chiều dài cơ sở của xe : Lo = 3 (m)

iω - có thể được thiết kế không đổi hoặc thay đổi theo góc quay của vôlăng Ơ loại cơ cấu lái có tỷ số truyền thay đổi, tỷ số truyền có thể tăng haygiảm khi quay bánh lái ra khỏi vị trí trung gian

Giá trị của iω phụ thuộc loại cở xe, thường nằm trong giới hạn 13 - 22đối với ôtô du lịch và 20 - 25 đối với ôtô tải, một vài trường hợp có thể tới 40 Một cách gần đúng,có thể tính iω theo công thức

Mặt khác.iω = ic idd

Trong đó

ic : Tỷ số truyền của cơ cấu lái

idd : Tỷ số truyền của dẫn động lái (idd= 1÷1,2)

Chọn idd=1,15

⇒ 19 56

09 1

i

i

4.3 Xác định mômen tác dụng lên bánh xe dẫn hướng.

Mômen cản quay vòng lớn nhất là khi quay vòng tại chỗ Mô men cảc

quay vòng trong trường hợp này bao gồm: Mô men sinh ra do lực cản lăn M1,

mômen cản của các phản lực ngang ở vết tiếp xúc M2 và mô men ổn định cácbánh xe dẫn hướng M3. Nếu gọi Mcq là mômen cản quay vòng tác dụng lên mộtbánh xe dẩn hướng thì gồm có 3 thành phần

1- Bánh xe dẩn hướng; 2- Cam quay; 3- Cầu dẩn hướng.

1−C = , − , = ,

B

(m) Thay các thông số vào công thức ta được

a = [0,125 - (2 6)

180

14,3.35,

Thay số vào công thức tính X ta được:

- Mômen cản quay vòng do tác dụng của mômen ổn định của các bánh

xe M3 rất nhỏ so vời M1,M2 nên ta có thể bỏ qua

Hình 4.2 Sơ đồ bánh xe dẩn hướng tiếp xúc với mặt đường

- Như vậy mômen cản tổng cộng của các bánh xe dẫn hướng

Thành phần M3 có thể bỏ qua mômen ổn định vì thành phần này khánhỏ so với các thành phần khác, nên ta chỉ xem nó như một hệ số kM3=1.1

MΣ = 2Mcq = 2(M1 + M2) = 2.(0,336 + 28,35)1.1 = 63.1 (KG.m) Nếu quy dẫn về trục đòn quay đứng, ta có:

Mqd

Σ =

dd dd

M

i

K M M

η

)(

Ở đây idd - tỷ số truyền của dẩn động, idd = 1,15

1.63

dd dd

i

M

4.4 Xác định lực cần thiết tác dụng lên vô lăng

Lực cần thiết tác dụng lên vô lăng được xác định theo công thức sau

Σ < =

lmaî t

qd

P i

R - Bán kính vô lăng, R ≤ 0,275(m)

Chọn R = 0,240 (m)

ηt - Hiệu suất thuận cơ cấu lái.

Cơ cấu lái loại bánh - răng thanh khía: ηt= 0,8 ÷0,9 Chọn ηt= 0,82

Thay số vào công thức trên, ta được

Plmax = =

82018240

7960, ,

,

17,16 ( Kg ) ⇒ Lực cần thiết lớn nhất tác dụng lên vô lăng.

Plmax = 168 (N) < 500(N)

Do vậy không cần dùng trợ lực lái

4.5 Tính toán động học hình thang lái

Nhiệm vụ của bài toán tính toán thiết kế hình thang lái là để đảm bảo

động học quay vòng cần thiết của các bánh xe dẫn hướng

Từ sơ đồ quay vòng ta thấy rằng Muốn các bánh xe quay vòng không bịtrượt thì chúng phải cùng quay quanh 1 tâm quay tức thời, tức là góc quay củabánh xe dẫn hướng phía trong và phía ngoài tâm quay vòng phải khác nhau vàliên hệ với nhau theo biểu thức :

Cotgβ −Cotgα = L m

a và b _ Góc quay vòng của bánh xe dẫn hướng.

Muốn đảm bảo chính xác quan hệ giữa a và b, thì phải dùng một cơ cấuphức tạp, cồng kềnh tới 18 khâu.Trong thực tế, có thể dùng một số cơ cấu đơngiản hơn, đảm bảo được gần đúng các quan hệ trên như: Đĩa hình sao elip,truyền động xích và cơ cấu hình thang với các khớp nối Ba cơ cấu đầu khôngđược dùng vì phức tạp và không ổn định Hiện nay dùng phổ biến nhất là cơcấu hình thang gọi là hình thang lái Đantô

Hình 4.3 Động học quay vòng lý tưởng và thực tế khi dùng hình thang lái.

a, b- Động học quay vòng lý tưởng và thực tế.

m- Khoảng cách giữa 2 tâm trụ quay đứng (bỏ qua các góc nghiêng của trụ quay).

L 0 - Chiều dài cơ sở.

α, β- Các góc quay của bánh dẫn hướng phía trong và phía ngoài.

Khi dùng hình thang lái thì tâm quay vòng O của các bánh xe trươckhông nằm trên trục sau, mà nằm ở khoảng cách Lht < Lo so với đường AB(hình vẽ).

m Sin

)(

0

βαλ

βα

βα

Sin

Sin Sin L

m L

L Sin

Sin mSin L

ht ht

Nhiệm vụ khi thiết kế hình thang lái là xác định các thông số kích thước

và lắp đặt sao cho tỷ số l có giá trị gần đơn vị nhất.Trình tự tiến hành như sau

+ Xác định kích thước m

m =1,8 - 0,125=1,675 (m)

55803

67510

,

=

L m

+ Dựa vào đồ thị biểu diễn quan hệ giữ x và

+ Xác định các thông số còn lại của hình thang lái theo các quan hệ hình

học sau :

m

L x arctg

t

.,

.5

0 0

=θ

t

y

m n

θ

cos 2

1+

=

n=n.y

Trong đó :

n _ Chiều dài của đòn kéo ngang (m)

l _ Chiều dài của đòn kéo bên (m)

3710

,,

.,

152

56814

021

675

1

0 ,,cos.,

Tiếp theo ta kiểm tra giá trị góc θt có phù hợp với lý thuyết không.

+ Trước hết, cho một số giá trị góc quay a của bánh xe trong, tìm giá trị

lý thuyết βlt tương ứng theo công thức

0

L

m Cotg Cotgβ − α = + Sau đó từ công thức sau tìm giá trị góc quay thực tế βtt và tính sai lệch tương đối của hình thang lái

2 2

2

)sin(

.)

(cos

sin 2sin

.2)sin(

.arcsin)

sin(

)cos(

αδα

δ

δδ

α

δα

δ

αδδ

β

+

−++

+

−+

−

−+

−

++

=

t t

t t

t t

t t

t

l m l

m l

m l l

m

l arctg

Trong đó

dt _ Góc phụ với θt dt = 21,50

+ So sánh βlt với βtt nếu thấy sai lệch tương đối hình thang lái thực vớihình thang lái lý thuyết không quá 5 % thì các kích thước hình thang lái đạt yêucầu