Chuong 10 Hệ thống lái

Yêu cầu Hệ thống lái phải bảo đảm các yêu cầu sau: - Quay vòng ôtô thật ngoặt trong một thời gian rất ngắn trên một diện tích rất bé; - Điều khiển lái phải nhẹ nhàng thuận tiện; - Động h

- Hệ thống lái với vành lái bố trí bên phải (theo chiều chuyển động của ôtô) được dùng trên ôtô của các nước có luật đi đường bên trái như ở Anh, Nhật, Thuỵ

Điển,

* Theo số lượng cầu dẫn hướng

- Hệ thống lái với các bánh dẫn hướng ở cầu trước;

- Hệ thống lái với các bánh dẫn hướng ở cầu sau;

- Hệ thống lái với các bánh dẫn hướng ở tất cả các cầu

* Theo kết cấu của cơ cấu lái

- Cơ cấu lái loại trục vít - bánh vít;

- Cơ cấu lái loại trục vít - cung răng;

- Cơ cấu lái loại trục vít - con lăn;

- Cơ cấu lái loại trục vít chốt quay;

- Cơ cấu lái loại liên hợp (gồm trục vít, êcu, cung răng);

- Cơ cấu lái loại bánh răng trụ - thanh răng

* Theo kết cấu và nguyên lý làm việc của bộ cường hoá

- Hệ thống lái có cường hoá thuỷ lực;

- Hệ thống lái có cường hoá khí nén;

- Hệ thống lái có cường hoá liên hợp

1.3 Yêu cầu

Hệ thống lái phải bảo đảm các yêu cầu sau:

- Quay vòng ôtô thật ngoặt trong một thời gian rất ngắn trên một diện tích rất bé;

- Điều khiển lái phải nhẹ nhàng thuận tiện;

- Động học quay vòng phải đúng để các bánh xe không bị trượt khi quay vòng;

- Tránh được các va đập từ bánh dẫn hướng truyền lên vành lái;

- Giữ được chuyển động thẳng ổn định

2 Cấu tạo chung của hệ thống lái

2.1 Hệ thống lái với cầu dẫn hướng loại liền (hệ thống treo phụ thuộc)

Bố trí chung của hệ thống lái loại này được chỉ ra trên hình 10.1

- Cơ cấu lái: cơ cấu lái ở sơ đồ trên gồm trục vít 3 và cung răng 4 Nó có nhiệm

vụ biến chuyển động quay của trục lái thành chuyển động góc của đòn quay

đứng và khuyếch đại lực điều khiển trên vành lái

- Dẫn động lái: dẫn động lái bao gồm đòn quay đứng 5, thanh kéo dọc 6, cam quay 7 Nó có nhiệm vụ biến chuyển động góc của đòn quay đứng 5 thành chuyển động góc của trục bánh xe dẫn hướng

- Hình thang lái: hình thang lái bao gồm các đòn 8, 9 và 10 Ba khâu này hợp với dầm cầu dẫn hướng tạo thành bốn khâu dạng hình thang nên gọi là hình thang lái Hình thang lái có nhiệm vụ tạo chuyển động góc của hai bánh xe dẫn hướng theo một quan hệ xác định bảo đảm các bánh xe không bị trượt khi quay vòng

2.2 Hệ thống lái với bánh dẫn hướng trong hệ thống treo độc lập

Bố trí chung của hệ thống lái loại này được chỉ ra trên hình 10.2

Hình 10.2

ở hệ thống lái cầu liền (hệ thống treo phụ thuộc) khi ôtô hoặc cầu dao động thì toàn bộ các chi tiết của hình thang lái dao động cùng một khối với cầu dẫn hướng Nhưng ở hệ thống lái với hệ thống treo độc lập (hình 10.2), các bánh xe dẫn hướng bên trái hoặc bên phải có thể dao động độc lập với nhau nên cấu tạo của dẫn động lái và hình thang lái có khác so với loại cầu liền Đó là thanh ngang của hình thang lái không thể làm liền mà phải cắt rời thành nhiều đoạn và liên kết với nhau bằng các khớp cầu

Còn lại các bộ phận khác như vành lái, trục lái, cơ cấu lái cũng có cấu tạo và nguyên lý làm việc như đn mô tả trong mục 2.1

2.3 Hệ thống lái có cường hoá

Hình 10.3

- Nguồn năng lượng của bộ cường hoá, trong sơ đồ hình 10.3 là bơm thuỷ lực;

- Van phân phối (van điều khiển);

- Cơ cấu chấp hành (xi lanh lực)

3 Cấu tạo của các bộ phận trong hệ thống lái

3.1 Trục lái

Trục lái có hai loại: loại cố định không thay đổi được góc nghiêng (hình 10.4.a)

và loại thay đổi được góc nghiêng (hình 10.4.b)

Hình 10.4

Đối với loại không thay đổi được góc nghiêng thì trục lái gồm một thanh thép hình trụ rỗng Đầu trên của trục lái được lắp bằng then hoa với moayơ của vành lái (vô lăng) còn đầu dưới được lắp cũng bằng then hoa với khớp các đăng Trục chính được đỡ trong ống trục lái bằng các ổ bi ống trục lái được cố định trên vỏ cabin bằng các giá đỡ Vành lái có dạng một thanh thép hình tròn với một số nan hoa (hai hoặc ba) nối vành thép với moayơ vành lái cũng bằng kim loại Moayơ

có làm lỗ với các then hoa để ăn khớp then với đầu trên của trục lái

Đối với loại trục lái thay đổi được góc nghiêng thì ngoài những chi tiết kể trên, trục chính không phải là một thanh liên tục mà được chia thành hai phần có thể chuyển động tương đối với nhau trong một góc độ nhất định nhờ kết cấu đặc biệt

của khớp nối (hình 10.4.b) Tuỳ thuộc vào tư thế và khuôn khổ của người lái mà vánh lái có thể được điều chỉnh với góc nghiêng phù hợp

ωθ, ωΩ - góc quay tương ứng của vành lái và trục đòn quay đứng

Tỉ số truyền của cơ cấu lái có thể thay đổi hoặc không thay đổi Tỉ số truyền cơ cấu lái có phạm vi thay đổi rộng, cao ở vùng vị trí trung gian và thấp ở các vị trí rìa thường được dùng ở hệ thống lái không có cường hoá

* Hiệu suất thuận:

Hiệu suất thuận là hiệu suất tính theo lực truyền từ trên trục lái xuống Hiệu suất thuận càng cao thì lái càng nhẹ Vì vậy nói chung khi thiết kế cơ cấu lái yêu cầu phải có hiệu suất thuận cao

* Hiệu suất nghịch:

Hiệu suất nghịch là hiệu suất tính theo lực truyền từ dưới đòn quay đứng lến trục lái Thông thường yêu cầu hiệu suất nghịch phải có trị số bé hơn hiệu suất thuận Nếu hiệu suất nghịch rất bé thì các lực va đập tác dụng lên hệ thống chuyển

động của ôtô sẽ không truyền đến vành lái được vì chúng bị triệt tiêu bởi ma sát trong cơ cấu lái Đây là một tính chất rất quý của cơ cấu lái Tuy nhiên không thể đưa hiệu suất nghịch xuống quá thấp vì lúc đó bánh xe dẫn hướng sẽ không

tự trả lại được về vị trí ban đầu dưới tác dụng của các mômen ổn định Vì vậy để

đảm bảo khả năng tự trả bánh xe dẫn hướng từ vị trí đn quay về vị trí ban đầu và

để hạn chế các va đập từ đường lên vành lái trong một phạm vi nào đấy thì cơ cấu lái được thiết kế với một hiệu suất nghịch nhất định

3.2.1 Cơ cấu lái loại trục vít cung răng (hình 10.5)

Cơ cấu lái loại trục vít cung răng có ưu điểm là giảm được trọng lượng và kích thước so với loại trục vít bánh răng Cung răng có thể là cung răng thường (hình 10.5.a) hoặc cung răng bên (hình 10.5.b) Cung răng bên có ưu điểm là tiếp xúc theo toàn bộ chiều dài răng, do đó giảm được ứng suất tiếp xúc và răng ít hao mòn cho nên thường dùng ở ôtô tải cỡ lớn Tỉ số truyền của cơ cấu lái trục vít cung răng được xác định như sau:

a b

Tỉ số truyền của cơ cấu lái loại này có giá trị không đổi Hiệu suất thuận khoảng 0,5 còn hiệu suất nghịch khoảng 0,4

Hình 10.5

3.2.2 Cơ cấu lái loại trục vít con lăn (hình 10.6)

Cơ cấu lái loại trục vít con lăn có những ưu điểm sau:

- Nhờ trục vít có dạng glôbôít cho nên mặc dù chiều dài trục vít không lớn nhưng

sự tiếp xúc của các răng ăn khớp được lâu hơn và trên diện rộng hơn, có nghĩa là giảm được kích thước chung và giảm ứng suất tiếp xúc của các răng;

- Tải trọng tác dụng lên chi tiết tiếp xúc với nhau được phân tán, tuỳ theo loại ôtô

mà có thể làm con lăn có từ hai đến bốn vòng ren;

- Tổn thất do ma sát ít hơn nhờ thay ma sát trượt bằng ma sát lăn;

- Có khả năng điều chỉnh khe hở ăn khớp của các bánh răng

Đường trục của con lăn nằm lệch với đường trục của trục vít một khoảng

e = 5 - 7 mm Điều này cho phép điều chỉnh lại khe hở ăn khớp sau một thời gian làm việc các chi tiết bị hao mòn

Tỉ số truyền của cơ cấu lái trục vít con lăn tại vị trí trung gian xác định theo công thức:

z1 - số mối ren của trục vít

Tỉ số truyền của cơ cấu lái loại này sẽ tăng lên từ vị trí giữa đến vị trí rìa khoảng

từ 5-7% nhưng sự tăng này không đáng kể nên có thể bỏ qua và coi như tỉ số truyền không thay đổi

Hiệu suất thuận vào khoảng 0,65 và hiệu suất nghịch khoảng 0,5

Cơ cấu lái loại này được sử dụng rộng rni trong các loại ôtô khác nhau

Hình 10.6

3.2.3 Cơ cấu lái loại trục vít chốt quay (hình 10.7)

Cơ cấu lái loại này có ưu điểm cơ bản là có thể thiết kế tỉ số truyền thay đổi theo các quy luật khác nhau tuỳ thuộc vào yêu cầu sử dụng

Nếu bước của trục vít t không đổi thì tỉ số truyền được xác định theo công thức:

Ω - góc quay của đòn quay đứng

r2 - bán kính từ chốt quay đến trục đòn quay

Hiệu suất thuận và hiệu suất nghịch của cơ cấu lái loại này đều vào khoảng 0,7 Cơ cấu lái loại này thường được sử dụng ở hệ thống lái không có cường hoá trên

ôtô tải và ôtô khách

Hình 10.7

3.2.4 Cơ cấu lái loại trục vít êcu bi cung răng (hình 10.8)

Hai đầu trục vít được đỡ bằng ổ bi đỡ chặn, một đai ốc bi chạy trên trục vít nhờ rất nhiều các viên bi ở trong các rnnh xoắn trên trục vít và bên trong đai ốc Các viên bi lăn trong các rnnh này, các rnnh được thiết kế để cho phép các viên bi tuần hoàn một cách liên tục

Một trục với bánh răng rẻ quạt được lắp trong hộp cơ cấu lái bằng các ổ bi kim Phần răng rẻ quạt ăn khớp với răng của đai ốc bi Khi trục vít quay đai ốc bi chạy

a Loại tỉ số truyền không đổi b Loại tỉ số truyền thay đổi

dọc trục vít, chuyển động tịnh tiến này làm cung răng rẻ quạt quay dẫn đến trục

Đặc điểm của cơ cấu lái có tỉ số truyền không đổi là các bán kính ăn khớp C1, C2,

C3 của các răng trục rẻ quạt là bằng nhau và các bán kính ăn khớp D1, D2, D3 của các răng đai ốc cũng bằng nhau

Hình 10.9

Đối với cơ cấu lái có tỉ số truyền thay đổi đ−ợc thiết kế sao cho bán kính ăn khớp của các răng trục rẻ quạt giảm dần về phía tâm (C1 > C2 > C3) Mặt khác bán kính ăn khớp của các răng đai ốc lại tăng dần về phía tâm (D1 < D2 < D3)

a

b

Nhờ vậy mà tỉ số truyền của cơ cấu lái được thay đổi theo quy luật chỉ ra trên hình 10.9

3.2.5 Cơ cấu lái loại bánh răng trụ thanh răng (hình 10.10)

Bánh răng trụ được chế tạo liền với trục lái nên còn gọi là trục răng Khi quay vành lái trục răng quay làm thanh răng dịch chuyển sang phải hoặc sang trái Sự dịch chuyển của thanh răng được truyền tới cam quay qua các đầu thanh răng và khớp cầu

Cơ cấu loại trục răng thanh răng có các ưu điểm sau:

- Cấu trúc đơn giản, gọn nhẹ do cơ cấu lái nhỏ và bản thân thanh răng có tác dụng như thanh dẫn động lái nên không cần các thanh ngang như ở cơ cấu lái khác;

- ăn khớp răng trực tiếp nên độ nhạy cao;

- Ma sát trượt và lăn nhỏ kết hợp với sự truyền mômen tốt nên lực điều khiển trên vành lái nhẹ;

- Cơ cấu lái được bao kín hoàn toàn nên ít phải chăm sóc bảo dưỡng

Hình 10.10 3.3 Dẫn động lái

3.3.1 Đòn quay

Đòn quay có nhiệm vụ truyền mômen từ trục đòn quay của cơ cấu lái tới các đòn kéo dọc hoặc kéo ngang được nối với cam quay của bánh xe dẫn hướng

a b

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

to là lỗ hình trụ hoặc côn có then hoa bên trong để ăn khớp then hoa với đầu trục

đòn quay Đầu nhỏ đòn quay cũng có lỗ trơn hình côn để bắt với rôtuyn Thân

đòn quay có tiết diện nhỏ dần từ đầu to đến đầu nhỏ và hình dạng tiết diện phù hợp với phương chịu lực Tuỳ theo loại cơ cấu lái và dẫn động lái mà đòn quay

có thể quay trong mặt phẳng đứng (hình 10.11.b) hoặc mặt phẳng ngang (hình 10.11.a)

Hình 10.11

3.3.2 Đòn kéo

Đòn kéo được dùng để truyền lực từ đòn quay của cơ cấu lái đến cam quay bánh

xe dẫn hướng Tuỳ theo phương đặt đòn kéo mà người ta có thể gọi đòn kéo dọc hoặc đòn kéo ngang Đòn kéo cũng được sử dụng nối và truyền lực giữa hai cam quay của hai bánh xe dẫn hướng Nó là khâu thứ ba (trừ dầm cầu dẫn hướng) trong hình thang lái nên còn được gọi là thanh "ba ngang"

Cấu tạo chung của đòn kéo gồm một thanh thép hình trụ rỗng hai đầu có bố trí các rôtuyn với liên kết cầu Vì trong quá trình làm việc vị trí của các đòn kéo có thể thay đổi trong không gian nên các điểm nối giữa các đòn kéo phải là liên kết cầu để tránh cưỡng bức (hình 10.12)

Hình 10.12 Liên kết cầu bao gồm một rôtuyn với một đầu có dạng cầu và các bát rôtuyn có

bề mặt lắp ghép là một phần chỏm cầu lõm được lắp ráp với mặt cầu của rôtuyn

a b

2

3

1

Một yêu cầu đối với dẫn động lái là phải chính xác, không có độ dơ, đồng thời

để dập tắt các lực va đập truyền qua dẫn động lái nên hầu hết các khớp rôtuyn

đều dùng lò xo để ép bát rôtuyn với mặt cầu của rôtuyn Lực ép của các lò xo này lên rôtuyn được điều chỉnh bằng các nút tì có ren Để bôi trơn các bề mặt làm việc của rôtuyn và bát rôtuyn thì người ta thường bố trí một vú mỡ và các

đường dẫn mỡ từ vú mỡ tới các rôtuyn Trên một đòn kéo có hai rôtuyn thì việc

bố trí lò xo ở các đầu rôtuyn này phải bảo đảm sao cho khi lực truyền từ chốt rôtuyn này đến chốt rôtuyn kia chỉ có một trong hai lò xo làm việc

Hình 10.13 Chúng ta xét trường hợp nếu hai bánh xe dẫn hướng quay cùng một góc như nhau (α = β) khi đó bánh xe phía ngoài có xu hướng quay quanh tâm O1 còn bánh xe phía trong có xu hướng quay quanh tâm O2 Khi này quỹ đạo của bánh

xe phía ngoài sẽ theo đường cong 1 còn quỹ đạo của bánh xe phía trong sẽ theo

đường cong 2 Mặt khác nếu bảo đảm động học quay vòng đúng thì bánh xe phía trong cũng phải quay quanh tâm O1 có nghĩa quỹ đạo của nó phải là đường cong

3 Giả sử bánh xe dẫn hướng phía ngoài bám tốt không bị trượt thì bánh xe phía

trong sẽ bị trượt mà vệt trượt của nó tạo thành diện tích bôi đen giữa hai đường cong 2 và 3

Qua nghiên cứu hai ví dụ trên chúng ta thấy để bảo đảm ôtô quay vòng đúng thì bánh xe phía trong bao giờ cũng phải quay một góc lớn hơn Nói một cách chính xác hơn, muốn đảm bảo động học quay vòng đúng thì góc quay của bánh xe bên trong và bên ngoài phải tuân theo một quan hệ xác định, quan hệ này do hình thang lái đảm nhận

* Cấu tạo của hình thang lái

Hình thang lái thực chất là một hình tứ giác gồm bốn khâu (hình 10.14): dầm cầu, thanh lái ngang và hai thanh bên (cánh bản lề) ở vị trí trung gian tứ giác này có dạng hình thang nên được gọi là hình thanh lái Trừ dầm cầu ra các khâu còn lại của hình thang lái có cấu tạo như các đòn kéo đn nghiên cứu ở trên Vì vậy ở đây chúng ta không xét thêm về mặt cấu tạo mà chủ yếu đưa ra hình dạng

và kích thước của hình thang lái Để bảo đảm quan hệ giữa góc quay của bánh xe bên trong và bánh xe bên ngoài để các bánh xe cùng quay trên một tâm quay tức thời thì kích thước của các thanh lái ngang, cánh bản lề và góc θ phải có những giá trị xác định

đảm mối quan hệ giữa góc quay của bánh xe ngoài và bánh xe trong thì thanh lái ngang có kết cấu sao cho có thể điều chỉnh được kích thước của nó

Hình 10.15

Trên ôtô mà hệ thống treo trước là loại độc lập thì hình thang lái có dạng như ở hình 10.16

Hình 10.16

Còn trên ôtô hệ thống treo trước độc lập và cơ cấu lái loại trục răng thanh răng thì có thể kết hợp thanh răng làm luôn chức năng của thanh lái ngang trong hình thang lái (hình 10.17)

a b

4.1 Góc nghiêng ngang của bánh xe (camber)

Góc nghiêng ngang của bánh xe được lắp đặt với phía trên nghiêng ra ngoài hay nghiêng vào trong Góc này còn gọi là góc "camber" và được đo bằng độ nghiêng so với phương thẳng đứng Khi phía trên bánh xe nghiêng ra ngoài, thì gọi là "camber dương" Ngược lại khi nghiêng vào trong thì gọi là "camber âm" (hình 10.18)

Hình 10.18 Chức năng của camber:

ở những ôtô trước kia, các bánh xe được đặt camber dương để cải thiện độ bền cầu trước và để các lốp tiếp xúc vuông góc với mặt đường nhằm ngăn cản sự mòn không đều của lốp trên loại đường có phần giữa cao hơn hai mép ở những

ôtô hiện nay, hệ thống treo và cầu cứng vững hơn mặt khác kết cấu mặt đường cũng bằng phẳng vì vậy ít cần camber dương, thậm chí ở một vài loại ôtô góc camber có thể bằng 0 Một vài loại ôtô bố trí có camber âm để cải thiện điều kiện chịu lực khi ôtô quay vòng

Dưới đây chúng ta sẽ xét công dụng của các góc camber khác nhau:

* Camber dương

Camber dương có các tác dụng như sau:

- Giảm tải theo phương thẳng đứng (hình 10.19.a);

Nếu camber bằng 0, phản lực tác dụng lên trục sẽ đặt vào giao điểm giữa đường tâm lốp và trục, ký hiệu lực F' trên hình vẽ Nó dễ làm trục hay cam quay bị cong

đi Việc đặt camber dương sẽ làm phản lực tác dụng vào phía trong của trục, lực

F trên hình vẽ, sẽ giảm mômen tác dụng lên trục bánh xe và cam quay

Hình 10.19

- Giảm mômen cản quay vòng

Khi quay vòng bánh xe dẫn hướng sẽ quay quanh tâm là giao điểm của đường trục trụ quay đứng kéo dài với mặt đường Khi bố trí góc camber dương thì khoảng cách giữa tâm bánh xe với tâm quay sẽ nhỏ nên giảm mômen cản quay vòng

* Camber 0

Lý do chính đặt camber 0 là để ngăn cản sự mòn không đều của lốp

Nếu bánh xe được đặt camber dương, phía ngoài lốp sẽ quay với bán kính nhỏ hơn phía trong (hình 10.20) Do vậy tốc độ dài của lốp tại khu vực tiếp xúc với mặt đường ở phía trong sẽ lớn hơn ở phía ngoài, nên phía ngoài sẽ bị trượt trên mặt đường và sẽ bị mòn nhiều hơn Nếu camber bằng 0 thì hiện tượng trên sẽ

được khắc phục

Hình 10.20

* Camber âm

ở ôtô có camber dương, khi ôtô quay vòng xuất hiện lực ly tâm, lực ly tâm này

có xu hướng làm camber dương tăng thêm nên biến dạng chung của cả lốp và hệ thống treo làm thân ôtô nghiêng nhiều hơn

Đối với ôtô có camber âm, khi ôtô quay vòng xuất hiện lực ly tâm, lực ly tâm này có xu hướng làm giảm camber âm và bánh xe có thể trở về trạng thái camber

0 hoặc dương Vì vậy giảm sự biến dạng của bánh xe và hệ thống treo nên thân

ôtô bị nghiêng ít hơn (hình 10.21)

Hình 10.21

4.2 Góc nghiêng dọc của trụ quay đứng (caster)

Caster là sự nghiêng về phía trước hoặc phía sau của trụ quay đứng Caster được

đo bằng độ giữa trụ quay đứng và phương thẳng đứng khi nhìn từ cạnh xe Nếu nghiêng về phía sau thì gọi là caster dương, nếu nghiêng về phía trước gọi là caster âm (hình 10.22)

Hình 10.22 Khoảng cách từ giao điểm của đường tâm trụ quay đứng với mặt đất đến tâm vùng tiếp xúc giữa lốp với đường được gọi là khoảng cách caster