Thiết kế hệ thống lái cho xe du lịch 7 chỗ ngồi

Hệ thống lái của ôtô dùng để thay đổi hướng chuyển động của ôtô nhờ quay vòng các bánh xe dẫn hướng cũng như để giữ phương chuyển động thẳng hay chuyển động cong của ôtô khi cần thiết..

Trờng đại học bách khoa hà nội

I Nhiệm vụ đề tài:

Thiết kế hệ thống lái cho xe du lịch 7 chỗ ngồi

II Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:

1 Khảo sát chung về hệ thống lái trên ôtô

2 Thiết kế hệ thống lái dựa trên số liệu của xe yêu cầu

3 Xây dựng đặc tính cờng hoá cho hệ thống lái

4 Xây dựng quy trình công nghệ gia công một chi tiết trong hệ thống lái

5 Tìm hiểu các vấn đề về bảo dỡng và sửa chữa hệ thống lái

III Các bản vẽ và đồ thị:

1 Bản vẽ bố trí chung cơ cấu lái 1A0

2 Bản vẽ lựa chọn các phơng án thiết kế 1A0

3 Bản vẽ quan hệ động học quay vòng và đặc tính cờng hoá 1A0

4 Bản vẽ cơ cấu lái + xy lanh lực +van phân phối 1A0

5 Bản vẽ sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống lái 1A0

6 Bản vẽ chi tiết của hệ thống lái (4 chi tiết) 1A0

7 Bản vẽ quy trình công nghệ gia công một chi tiết 1A0Giáo viên hớng dẫn : Nguyễn Tiến Dũng

Ngày tháng năm 2010

Ngời hớng dẫn

Môc lôc

Lời nói đầu 1

CHƯƠNG I 2

TỔNG QUAN HỆ THỐNG LÁI 2

I Mô tả chung hệ thống lái 2

1 Tổng quan 2

2 Các trạng thái quay vòng của xe 2

3 Phân loại hệ thống lái 3

3.1 Phân lo i theo ph ạ ươ ng pháp chuy n h ể ướ ng .3

3.2 Phân lo i h th ng lái theo ạ ệ ố đặ c tính truy n l c ề ự 3

3.3 Phân lo i theo k t c u c a c c u lái ạ ế ấ ủ ơ ấ 4

3.4 Phân lo i theo cách b trí v nh lái ạ ố à 4

4 Yêu cầu của hệ thống lái ôtô 4

II Các bộ phận hợp thành hệ thống lái ôtô 5

1 Vành lái 5

2 Trục lái 6

3 Cơ cấu lái 6

3.1 Các yêu c u c a c c u lái ầ ủ ơ ấ 6

3.2 T s truy n c a c c u lái: ỉ ố ề ủ ơ ấ 7

3.3 T s truy n c a d n ỷ ố ề ủ ẫ độ ng lái id 8

3.4 T s truy n l c c a h th ng lái il ỷ ố ề ự ủ ệ ố 8

3.5 Hi u su t thu n ệ ấ ậ 9

3.6 Hi u su t ngh ch ệ ấ ị 9

3.7 M t s lo i c c u lái th ộ ố ạ ơ ấ ườ ng dùng: 9

3.7 1 C c u lái tr c vít ch t quay ơ ấ ụ ố 9

3.7 2 C c u lái tr c vít con l n ơ ấ ụ ă 10

3.7.3 C c u lái tr c vít -êcu bi - thanh r ng - cung r ng ơ ấ ụ ă ă 11

4 Dẫn động lái 12

5 Các góc đặt bánh xe 15

5.1 Góc nghiêng ngang c a bánh xe (Camber) ủ 15

5.2 Gúc nghiờng d c tr ọ ụ đứ ng v ch à ế độ ệ l ch d c (Caster v ọ à

kho ng Caster) ả 16

5.3 Gúc nghiờng ngang tr ụ đứ ng (Kingpin) .17

5.4 Độ ch m v ụ à độ ở m (gúc doóng) .18

6 Hệ thống lỏi cú trợ lực 19

6.1 Cụng d ng v s c n thi t c a h th ng tr l c lỏi ụ à ự ầ ế ủ ệ ố ợ ự 19

6.2 Phõn lo i h th ng tr l c lỏi ạ ệ ố ợ ự 19

6.3 Nguyờn lý tr l c lỏi ợ ự 19

6.3.1 V trớ trung gian (khi xe chuy n ị ể độ ng th ng) ẳ 20

6.3.2 Khi quay vũng 20

CHƯƠNG II 22

TÍNH TOÁN HỆ THỐNG LÁI .22

I Cỏc thụng số của xe thiết kế 22

II Lựa chọn phương ỏn thiết kế 22

2.1 Chọn phương ỏn dẫn động lỏi 22

2.2 Chọn phương ỏn cơ cấu lỏi 23

III Tớnh toỏn động học hỡnh thang lỏi 23

3.1 Xỏc dịnh kớch thước hỡnh học của hỡnh thang lỏi và quan hệ động học của gúc quay bỏnh xe dẫn hướng .23

3.1.1 Xõy d ng quan h lý thuy t ự ệ ế 23

3.1.2 Xõy d ng cỏc quan h th c t c a c c u antụ ự ệ ự ế ủ ơ ấ Đ 25

3.2 Xỏc định mụmen cản quay vũng và lực lỏi lớn nhất 27

3.2.1 Mụmen c n M1 ả 28

3.2.2 Mụmen c n M2 do ma sỏt gi a bỏnh xe v m t ả ữ à ặ đườ 29 ng 3.2.3 Xỏc nh l c c c đị ự ự đạ i tỏc d ng lờn v nh tay lỏi ụ à 30

3.2.3.1 Tỷ số truyền của dẫn động lái id 30

3.2.3.2.Tỷ số truyền của cơ cấu lái ic 30

3.2.4 Xỏc nh gúc quay v nh lỏi v bỏn kớnh quay vũng ụtụ: đị à à 32 1 Gúc quay v nh lỏi l n nh t: à ớ ấ 32

2 Bỏn kớnh quay vũng nh nh t g m: ỏ ấ ồ 32

IV Tính toán thiết kế cơ cấu lái trục vít - êcu bi - thanh răng - cung răng.

33

4.1 Thông số hình học: 33

4.2 Thiết kế bộ truyền trục vít- êcu bi .33

4.3 Thiết kế bộ truyền thanh răng–cung răng 38

4.3.1 Ch n v t li u ọ ậ ệ 38

4.3.2 Xác nh các thông s c a b truy n: đị ố ủ ộ ề 39

V Tính bền các chi tiết còn lại của hệ thống lái 42

5.1 Tính bền trục lái .42

5.2 Tính bền đòn quay đứng 43

5.3 Tính bền đòn kéo dọc 46

5.4 Tính bền đòn kéo ngang 47

5.5 Tính bền đòn bên 49

5.6 Tính bền khớp cầu (Rotuyl) 50

5.6.1 Ki m tra b n kh p c u ể ế ớ ầ 50

CHƯƠNG III 53

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƯỜNG HÓA LÁI 53

I Đặc điểm của cường hoá lái 53

1.1 Các yêu cầu của cường hoá 53

1.2 Chọn loại trợ lực 53

II Lựa chọn phương án bố trí cường hoá lái 54

2.1 Một số phương án bố trí cường hoá hệ thống lái 54

2.1.1 Van phân ph i, xilanh l c ố ự đặ t chung trong c c u lái ơ ấ 54

2.1.2 Van phân ph i, xilanh l c ố ự đặ t th nh m t c m, tách bi t à ộ ụ ệ v i c c u lái ớ ơ ấ 56

2.1.3 Van phân ph i, c c u lái ố ơ ấ đặ t th nh m t c m tách bi t à ộ ụ ệ v i xilanh l c ớ ự 57

2.1.4 Van phân ph i, xi lanh l c v c c u lái ố ự à ơ ấ đặ t riêng bi t v i ệ ớ nhau 58

2.1.5 Ch n van phân ph i: ọ ố 59

2.1.6 Nguyên lý l m vi c c a van phân ph i ki u van xoay à ệ ủ ố ể 59

III.Tính toán cường hóa lái 62

3.1 Lực lái lớn nhất đặt lên vành tay lái 62

3.2 Xây dựng đặc tính cường hoá lái 62

3.3 Tính toán xilanh lực 64

3.3.1 Tính đườ ng kính ngo i v ki m tra b n xilanh l c: à à ể ề ự 65

3.4 Tính sơ bộ hành trình làm việc của Piston: 67

3.5 Xác định lưu lượng của bơm dầu: 67

3.6 Tính toán các chi tiết của van phân phối 69

3.6.1 Tính góc xoay c a van quay ủ 69

3.6.2 Các thông s khác ố 70

3.6.3 Tính toán thanh xo n ắ 70

CHƯƠNG IV: 72

QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ GIA CÔNG CHI TIẾT 72

RO-TUYN 72

5.1 Phân tích chi tiết gia công .72

5.1.1 Kết cấu rô- tuyn 72

5.1.2 Phân tích điều kiện làm việc và yêu cầu kỹ thuật của Rô-tuyn 72

5.1.3 Lập quy trình công nghệ gia công khớp cầu 73

5.1.4 Chọn phôi 73

5.2 Lập sơ đồ nguyên công 73

CHƯƠNG V 81

BẢO DƯỠNG – SỬA CHỮA HỆ THỐNG LÁI 81

I Bảo dưỡng kỹ thuật hệ thống lái 81

1.1 Bảo dưỡng kỹ thuật hệ thống 81

II Sửa chữa hệ thống lái 81

2.1 Những hiện tượng hư hỏng chính của hệ thống lái 81

2.2 Kiểm tra điều chỉnh cơ cấu lái: 82

2.3 Kiểm tra dẫn động lái và khắc phục khe hở: 82

2.4 Kiểm tra trợ lực lái: 82

Kết luận 84

Tài liệu tham khảo 85

Lời nói đầu

Trong nền kinh tế đang tăng trưởng mạnh mẽ của nước ta, nhu cầu về giao

thông vận tải ngày càng lớn Vai trò quan trọng của ôtô ngày càng được khẳng định

vì ôtô có khả năng cơ động cao, vận chuyển được người và hàng hoá trên nhiều loại địa hình khác nhau

Những năm gần đây, lượng xe du lịch có xu hướng tăng lên, đặc biệt là các loại xe 7 chỗ với ưu điểm về khả năng cơ động, tính kinh tế và thích hợp với nhiều mục đích sử dụng khác nhau

Với ôtô nói chung và xe du lịch nói riêng, an toàn chuyển động là chỉ tiêu hàng đầu trong việc đánh giá chất lượng thiết kế và sử dụng của phương tiện Một trong các hệ thống quyết định đến tính an toàn và ổn định chuyển động là hệ thống lái đặc biệt là ở tốc độ cao Với đồ án tốt nghiệp của mình, em đã cơ bản hoàn thành việc thiết kế hệ thống lái cho xe du lịch 7 chỗ

Sau hơn ba tháng, được sự hướng dẫn tận tình của thầy Nguyễn Tiến Dũng

và sự giúp đỡ của các bạn cùng lớp, em đã cơ bản hoàn thành đồ án tốt nghiệp Trong quá trình thực hiện, chắc chắn em không tránh khỏi những thiếu sót Do đó,

em rất mong nhận được sự chỉ bảo và góp ý của các thầy và các bạn

Em xin chân thành cảm ơn

Hà Nội ngày….tháng.…năm 2010

Sinh viên

Trần Nguyên Thủ

CHƯƠNG I TỔNG QUAN HỆ THỐNG LÁI

I Mô tả chung hệ thống lái.

1 Tổng quan.

Hệ thống lái của ôtô dùng để thay đổi hướng chuyển động của ôtô nhờ quay vòng các bánh xe dẫn hướng cũng như để giữ phương chuyển động thẳng hay chuyển động cong của ôtô khi cần thiết

Việc điều khiển hướng chuyển động của xe được thực hiện như sau: vành lái tiếp nhận lực tác động của người lái và truyền vào hệ thống lái, trục lái truyền mômen từ vô lăng tới cơ cấu lái, cơ cấu lái tăng mômen truyền từ vành lái tới các thanh dẫn động lái, các thanh dẫn động lái truyền chuyển động từ cơ cấu lái đến các bánh xe dẫn 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 vô lăng 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 tức thời khi quay vòng

2 Các trạng thái quay vòng của xe.

Sự chuyển động và thay đổi hướng chuyển động của xe trên đường là quá trình phức tạp Khi xe chuyển động trên đường vòng với tốc độ thấp thì ứng với mỗi vị trí góc quay của vành tay lái nhất định θvl xe sẽ quay vòng với một bán kính quay vòng R0 tương ứng Đây có thể coi là trạng thái quay vòng tĩnh (quay vòng đủ)

Trong thực tế xe thường chuyển động ở tốc độ lớn, do vậy quá trình quay vòng là động, trạng thái quay vòng đủ ít xảy ra mà thường gặp là trạng thái quay vòng thiếu và quay vòng thừa xảy ra trên cơ sở của việc thay đổi tốc độ chuyển động, sự đàn hồi của lốp và hệ thống treo

Khi quay vòng thiếu, để thực hiện quay vòng xe theo bán kính R0 người lái phải tăng góc quay vành lái một lượng θvl Khi quay vòng thừa, để thực hiện quay vòng xe theo bán kính R0 người lái phải giảm góc quay vành lái một lượng θvl.

Quay vòng thừa và quay vòng thiếu là những trạng thái quay vòng nguy hiểm, làm mất tính ổn định và tính điều khiển của xe vì chúng gia tăng lực ly tâm (vận tốc quay vòng của xe tăng kéo theo lực ly tâm khi quay vòng tăng) ở những trạng thái này yêu cầu người lái phải có kinh nghiệm xử lý tốt Vấn đề chất tải, độ đàn hồi của lốp cũng có ảnh hưởng tới tính năng quay vòng và tính an toàn chuyển động của xe, đặc biệt là những xe có vận tốc lớn

Hình 1.1-Các trạng thái quay vòng của xe.

3 Phân loại hệ thống lái.

Có nhiều cách để phân loại hệ thống lái ôtô:

3.1 Phân loại theo phương pháp chuyển hướng.

+Chuyển hướng hai bánh xe ở cầu trước (2WS)

3.3 Phân loại theo kết cấu của cơ cấu lái.

+Cơ cáu lái kiểu trục vít glôbôit - con lăn

+ Cơ cấu lái kiểu trục vít - răng rẻ quạt và trục vít - êcu bi

+ Cơ cấu lái kiểu bánh răng - thanh răng

3.4 Phân loại theo cách bố trí vành lái.

+ Bố trí vành lái bên trái (theo luât đi đường bên phải)

+ Bố trí vành lái bên phải (theo luật đi đường bên trái)

4 Yêu cầu của hệ thống lái ôtô.

Một trong các hệ thống quyết định đến tính an toàn và ổn định chuyển động của ôtô là hệ thống lái Theo đó hệ thống lái cần đảm bảo các yêu cầu sau:

Đảm bảo tính năng vận hành cao của ôtô có nghĩa là khả năng quay vòng nhanh 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 có 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

Tránh va đập truyền ngược từ bánh xe lên vành lái

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

Giữ chuyển động thẳng ổn định

Hệ thống lái phải bố trí thụân tiện trong việc bảo dưỡng và sửa chữa

II Các bộ phận hợp thành hệ thống lái ôtô.

1 2 3

4 5 6

7

9 8

Hình 1.2-Sơ đồ tổng quát hệ thống lái.

1.Vành lái 2.Trục lái

3.Cơ cấu lái 4.Đòn quay đứng 5.Đòn kéo dọc

6.Hình thang lái7.Đòn quay ngang8.Trụ xoay đứng9.Bánh xe

1 Vành lái.

Vành lái có dạng vành tròn Lực của người lái tác dụng lên vành lái tạo ra

mô men quay để hệ thống lái làm việc Mô men tạo ra trên vành lái là tích số của lực người lái trên vành tay lái với bán kính của vành lái

Mvl=Pl.rvl

Trong đó:

Mvl : Là mô men vành lái

Pl : Là lực mà người lái tạo ra trên vành láirvl : Là bán kính vành lái

Vành lái của bất kỳ loại ôtô nào cũng có độ dơ nhất định, với xe con không được vượt quá 80

2 Trục lái.

Trục lái có nhiệm truyền mômen lái xuống cơ cấu lái Trục lái gồm có trục lái chính có thể chuyển động truyền chuyển động quay của vô lăng xuống cơ cấu lái và ống truc lái để cố định trục lái vào thân xe Trục lái kết hợp với một cơ cấu hấp thụ va đập Cơ cấu này hấp thụ lực dọc trục tác dụng lên người lái khi có va đập mạnh hoặc khi tai nạn xảy ra

Trục lái thường có hai loại: Loại trục lái có thể thay đổi được góc nghiêng

và loại trục lái không thay đổi được góc nghiêng

Ngoài cơ cấu hấp thụ va đập ở trục lái chính còn có thể có thêm một số cơ cấu điều khiển như : cơ cấu khoá lái để khoá cứng trục lái, cơ cấu nghiêng trục lái

để có thể điều chỉnh vị trí vô lăng theo phương thẳng đứng phù hợp với người lái,

hệ thống trượt trục lái để có thể điều chỉnh được chiều dài của trục lái và đạt được

vị trí ngồi lái tốt nhất cho người lái

3 Cơ cấu lái.

Cơ cấu lái là bộ giảm tốc đảm bảo tăng mô men tác động của người lái đến các bánh xe dẫn hướng Tỷ số truyền của cơ cấu lái thường bằng 18 đến 20 đối với

xe con và bằng từ 21 đến 25 đối với xe tải

3.1 Các yêu cầu của cơ cấu lái.

Cơ cấu lái cần phải đảm bảo những yêu cầu sau:

+ Có thể quay được cả hai chiều để đảm bảo chuyển động cần thiết của xe.+ Có hiệu suất cao để lái nhẹ, trong đó cần có hiệu suất thuận lớn hơn hiệu suất nghịch để các va đập từ mặt đường được giữ lại phần lớn ở cơ cấu lái

+ Đảm bảo thay đổi trị số của tỷ số truyền khi cần thiết

+ Đơn giản trong việc điều chỉnh khoảng hở ăn khớp của cơ cấu lái

+ Độ dơ của cơ cấu lái là nhỏ nhất

+ Đảm bảo kết cấu đơn giản nhất, giá thành thấp và tuổi thọ cao

+ Chiếm ít không gian và dễ dàng tháo lắp

Sự đàn hồi của hệ thống lái có ảnh hưởng tới sự truyền các va đập từ măt đường lên vô lăng Độ đàn hồi càng lớn thì sự va đập truyền lên vô lăng càng ít,

nhưng nếu độ đàn hồi lớn quá sẽ ảnh hưởng đến khả năng chuyển động của xe Độ đàn hồi của hệ thống lái được xác định bằng tỷ số góc quay đàn hồi tính trên vành lái vô lăng và mô men đặt trên vành lái Độ đàn hồi của hệ thống lái phụ thuộc vào

độ đàn hồi của các phần tử như cơ cấu lái, các đòn dẫn động …

3.2 Tỉ số truyền của cơ cấu lái:

Tỷ số truyền cơ cấu lái ic là tỷ số giữa góc quay của bánh lái và góc quay của đòn quay đứng

Tỷ số truyền của cơ cấu lái đảm bảo tăng mômen từ vành lái đến các bánh

xe dẫn hướng Tỷ số truyền lớn sẽ giảm lực đánh lái nhưng người lái phải quay vô lăng nhiều hơn khi quay vòng

Vấn đề chọn tỷ số truyền của cơ cấu lái trên cơ sở ứng với 1 đến 2 vòng quay của vô lăng thì bánh xe phải quay được tối đa

từ 350 đến 450 từ vị trí trung gian trở đi Quy luật

thay đổi tỷ số truyền thích hợp nhất được thể hiện

trên giản đồ bên:

Trong phạm vi góc quay θ ≤ π/2 thì tỷ số

truyền của cơ cấu lái có giá trị cực đại đảm bảo

chính xác cao trong khi lái ôtô trên đường thẳng

với tốc độ cao và giúp lái nhẹ nhàng vì đa số thời

gian lái là quay vành lái một góc nhỏ quanh vị trí

trung gian Ngoài việc lái nhẹ ra, cơ cấu lái có tỷ số

truyền thay đổi theo qui luật như thế sẽ giảm ảnh

hưởng của những va đập từ bánh dẫn hướng lên vành lái

180 360 540

5 10 15 20 25

Hình 1.3: Quy luật thay đổi

tỷ số truyền ic của cơ cấu

lái

c

d i d

Khi θ > π/2 thì ic giảm rất nhanh, ở hai rìa của đồ thị thì ic hầu như không thay đổi ở đoạn này khi quay vành lái một góc nhỏ thì bánh dẫn hướng quay một góc lớn giúp khả năng quay vòng của ôtô tốt hơn

3.3 Tỷ số truyền của dẫn động lái i d

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

3.4 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 đặt lên vành lái cần thiết để khắc phục lực cản quay vòng

c l l

p i p

Mc - mômen cản quay vòng của bánh xe

c - cánh tay đòn quay vòng tức là khoảng cách từ tâm mặt tựa của lốp đến đường trục đứng kéo dài

Ml - mômen lái đặt trên vành lái

r - bán kính vành tay lái

Như vậy ta có:

c l

3.5 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 Khi thiết kế hệ thống lái yêu cầu phải hiệu suất thuận cao

3.6 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 ôtô sẽ không truyền đến bánh lái được vì chúng bị triệt tiêu bởi ma sát trong cơ cấu lái Nhưng không thể đưa hiệu suất nghịch xuống thấp quá vì khi đó bánh lái sẽ không tự trả lại được về vị trí ban đầu dưới tác dụng của mômen ổn định Bởi vậy để đảm bảo khả năng tự trả bánh lái từ vị trí đã quay về vị trí ban đầu

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

3.7 Một số loại cơ cấu lái thường dùng:

3.7 1 Cơ cấu lái trục vít chốt quay

Cơ cấu lái loại này gồm hai loại:

+ Cơ cấu lái trục vít và một chốt quay

Hình 1.4: Cơ cấu lái trục vít chốt quay

+ Cơ cấu lái trục vít và hai chốt quay

Ưu điểm:

Cơ cấu lái loại trục vít chốt quay có thể thay đổi tỷ số truyền theo yêu cầu cho trước Tùy theo điều kiện cho trước khi chế tạo trục vít ta có thể có loại cơ cấu lái chốt quay với tỷ số truyền không đổi, tăng hoặc giảm khi quay vành lái ra khỏi

vị trí trung gian Để tăng hiệu suất của cơ cấu lái và giảm độ mòn của trục vít và chốt quay thì chốt được đặt trong ổ bi

3.7 2 Cơ cấu lái trục vít con lăn

Loại cơ cấu lái này được sử dụng rộng rãi nhất Cơ cấu lái gồm trục vít glôbôit 1 ăn khớp với con lăn 2 (có ba tầng ren) đặt trên các ổ bi kim của trục 3 của đòn quay đứng Số lượng ren của loại cơ cấu lái trục vít con lăn có thể là một, hai hoặc ba tuỳ theo lực truyền qua cơ cấu lái

3 1

3.7.3 Cơ cấu lái trục vít -êcu bi - thanh răng - cung răng.

Gồm một trục vít có hai đầu được đỡ bằng ổ bi đỡ chặn Trục vít và êcu có rãnh tròn có chứa các viên bi lăn trong rãnh Khi đến cuối rãnh thì các viên bi theo đường hồi bi quay trở lại vị trí ban đầu

Khi trục vít quay (phần chủ động), êcu bi chạy dọc trục vít, chuyển động này làm quay răng rẻ quạt Trục của bánh răng rẻ quạt là trục đòn quay đứng Khi bánh răng rẻ quạt quay làm cho đòn quay đứng quay, qua các đòn dẫn động làm quay bánh xe dẫn hướng

Hình 1.6- Cơ cấu lái kiểu bi tuần hoàn.

1 vỏ cơ cấu lái 6 Phớt

2 ổ bi dưới 7 Đai ốc điều chỉnh

4 Dẫn động lái.

Dẫn động lái gồm những chi tiết truyền lực từ cơ cấu lái đến ngõng quay của bánh xe Dẫn động lái 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 hiện tượng trượt bên lớn ở tất cả các bánh xe, đồng thời tạo liên kết giữa các bánh

xe dẫn hướng

+ Phần tử cơ bản của dẫn động lái là hình thang lái tạo bởi cầu trước, đòn kéo ngang và đòn kéo bên Nhờ hình thang lái nên khi quay vô lăng một góc thì các bánh xe dẫn hướng sẽ quay đi một góc nhất định Hình thang lái có thể bố trí trước hoặc sau cầu dẫn hướng tùy theo bố trí chung

Quan hệ hình học ACKERMAN

Quan hệ hình học ACKERMAN biểu thị quan hệ góc quay của các bánh xe dẫn hướng quanh trục đứng với giả thiết tâm quay tức thời của xe nằm trên đường kéo dài của tâm trục cầu sau

Hình 1.7- Quan hệ hình học của ACKERMAN.

Để thực hiện quay vòng đúng thì các bánh xe dẫn hướng (trên cùng một cầu) phải quay theo các góc α, β khác nhau và quan hệ hình học được xác định theo biểu thức sau :

H ì n

h 2 1

1 S ơ đ ồ b i ể

u d i ễ

n c á

c k í c

h t h ư ớ

c c ủ

a đ ò

n q u a

y đ ứ n

B

O

αβ β

12

Cotg Cotg B

L

Trong đó :

L : chiều dài cơ sở của xe

B0 : khoảng cách của hai đường tâm trụ quay đứng trong mặt phẳng đi qua tâm trục bánh xe và song song với mặt đường

α, β : Góc quay của bánh xe dẫn hướng phía trong và phía ngoài

Để đảm bảo điểu kiện (1), trên xe sử dụng cơ cấu hình thang lái 4 khâu gọi

là hình thang lái Đantô Hình thang lái Đantô chỉ áp dụng gần đúng điều kiện trên, song do kết cấu đơn giản nên được dùng rất phổ biến Mỗi một chủng loại xe, có kích thước và vị trí đòn của cơ cấu 4 khâu sao cho sai lệch trong quan hệ hình học của cơ cấu lái 4 khâu với quan hệ hình học ACKERMAN chỉ nằm ở góc quay bánh

xe dẫn hướng lớn Giá trị sai lệch so với lý thuyết từ 0030’ đến 10 khi bánh xe dẫn hướng ở vùng quay vòng gấp

Đối với dầm cầu liền, hệ thống treo phụ thuộc thì cấu tạo của hình thanh lái Đantô như sau:

Dầm cầu đứng đóng vai trò là một khâu cố định, hai đòn bên dẫn động các bánh xe, đòn ngang liên kết với các đòn bên bằng những khớp cầu (rotuyl lái) Các đòn bên quay quanh đường tâm trụ đứng (hình 1.8)

v

b)a)

v

Hình 1.8 - Cơ cấu 4 khâu khi có dầm cầu liền.

a Đòn kéo ngang khi có dầm cầu liền

H ì n

h 2 1

1 S ơ đ ồ b i ể

u d i ễ

n c á

c k í c

h t h ư ớ

c c ủ

a đ ò

n q u a

y đ ứ n

Trên hệ thống treo độc lập, số lượng các đòn và khớp tăng lên nhằm đảm bảo các bánh xe dịch chuyển độc lập với nhau.

Số lượng các đòn tăng lên tuỳ thuộc vào kết cấu của cơ cấu lái, vị trí bố trí

cơ cấu lái, dẫn động lái và hệ thống treo…nhưng vẫn đảm bảo quan hệ hình học ACKERMAN, tức gần đúng với hình thang lái Đantô Hai phương pháp bố trí dẫn động lái điển hình ở hệ thống treo độc lập được trình bày theo hình 1.9:

Hình1.9 - Cơ cấu đòn ngang nối liên kết với hệ thống treo độc lập

a Đòn ngang nối nằm sau dầm cầu

b Đòn ngang nối nằm trước dầm cầu

Một số xe tải hạng nặng dùng dẫn động lái hai cầu trước tức 4 bánh dẫn hướng và hai hình thang lái 4 khâu Đantô

Hình 1.10 Bố trí hai cầu trước dẫn hướng

Trong các kết cấu hiện nay, tỷ số truyền dẫn động lái thường nằm trong khoảng từ 0,85 đến 1,1.

5 Các góc đặt bánh xe.

Để tránh trường hợp người lái vẫn phải tác động liên tục lên vô lăng để giữ xe

ở trạng thái chạy thẳng, hoặc người lái phải tác dụng một lực lớn để quay vòng xe, các bánh xe được lắp vào thân xe với các góc nhất định Những góc này được gọi chung

là góc đặt bánh xe nếu các góc đặt bánh xe không đúng thì có thể dẫn đến các hiện tượng sau:

+ Khó lái

+ Tính ổn định lái kém

+ Trả lái trên đường vòng kém

+ Tuổi thọ lốp giảm (mòn nhanh)

5.1 Góc nghiêng ngang của bánh xe (Camber).

9

0 0

CAMBE R

Khi chuyển động trên đường vòng, do tác dụng của lực ly tâm thân xe nghiêng theo hướng quay vòng, các bánh xe ngoài nghiêng vào trong, các bánh xe trong nghiêng ra ngoài so với thân xe Để các bánh xe lăn gần vuông góc với mặt đường để tiếp nhận lực bên tốt hơn, trên xe có tốc độ cao, hệ treo độc lập thì góc Camber thường âm.

5.2 Góc nghiêng dọc trụ đứng và chế độ lệch dọc (Caster và khoảng Caster).

Góc nghiêng dọc của trụ đứng đo bằng độ, xác định bằng góc giữa trụ xoay đứng và phương thẳng đứng khi nhìn từ cạnh xe Khoảng cách từ giao điểm của đường tâm trục đứng với mặt đất đến đường tâm vùng tiếp xúc giữa lốp và mặt đường được gọi là khoảng Caster c

Hình 1.12 – Caster và khoảng Caster.

Hồi vị bánh xe do khoảng Caster: Dưới tác dụng của lực ly tâm khi bánh xe vào đường vòng hoặc lực do gió bên hoặc thành phần của trọng lượng xe khi xe đi vào đường nghiêng, ở khu vực tiếp xúc của bánh xe với mặt đường sẽ xuất hiện các phản lực bên Yb

Khi trụ quay đứng được đặt nghiêng về phía sau một góc nào đó so với chiều tiến của xe (Caster dương) thì phản lực bên Yb của đường sẽ tạo với tâm tiếp xúc một mô men ổn định, mô men đó được xác định bằng công thức sau:

M=Yb.c (1- 6)

c

Góc Caster

(-) (+)

V

Mômen này có xu hướng làm bánh xe trở lại vị trí trung gian ban đầu khi nó

bị lệch khỏi vị trí này Nhưng khi quay vòng người lái phải tạo ra một lực để khắc phục mô men này Vì vậy, góc Caster thường không lớn Mômen này phụ thuộc vào góc quay vòng của bánh xe dẫn hướng Đối với các xe hiện đại thì trị số của góc Caster bằng khoảng từ 00đến 30

5.3 Góc nghiêng ngang trụ đứng (Kingpin).

Góc nghiêng ngang của trụ đứng được xác định trên mặt cắt ngang của xe Góc Kingpin được tạo nên bởi hình chiếu của đường tâm trụ đứng trên mặt cắt ngang đó và phương thẳng đứng

Hình 1.13 - Góc KingPin

Tác dụng:

Giảm lực đánh lái: Khi bánh xe quay quanh trụ đứng với khoảng lệch tâm là bán kính quay của bánh xe quay quanh trụ đứng r0 Nếu r0 lớn sẽ sinh ra mô men lớn quanh trụ quay đứng do sự cản lăn của lốp, vì vậy làm tăng lực đánh lái Do vậy giá trị của r0 có thể được giảm để giảm lực đánh lái, phương pháp để giảm r0 là tạo Camber dương và làm nghiêng trụ quay đứng (tạo góc KingPin)

Cải thiện tính ổn định khi chạy thẳng: Góc KingPin sẽ làm cho các bánh xe

tự động quay về vị trí chạy thẳng sau khi quay vòng do có mômen phản lực (gọi là mômen ngược) tác dụng từ mặt đường lên bánh xe Giá trị của mômen ngược phụ thuộc vào độ lớn của góc KingPin

90°(+) (-) Kingpin

5.4 Độ chụm và độ mở (góc doãng).

Khi nhìn từ trên xuống, nếu phía trước của các bánh xe gần nhau hơn phía sau thì gọi là độ chụm Nếu bố trí ngược lại là độ mở

Độ chụm được biểu diễn bằng khoảng cách B-A Kích thước B, A được đo

ở mép ngoài của vành lốp ở trạng thái không tải khi xe đi thẳng Độ chụm có ảnh hưởng lớn tới sự mài mòn của lốp và ổn định của vành lái

Với góc ∆ như thế thì tạo lên sự ổn định chuyển động thẳng của xe tức là

ổn định vành tay lái

Hình 1.15 - Lực cản lăn và vị trí đặt của nó.

R 0

P f

R 0

f

Ở cầu dẫn hướng, lực kéo cùng chiều với chiều chuyển động sẽ ép bánh xe

về phía trước Bởi vậy góc ∆ giảm.Trong trường hợp này, để giảm ảnh hưởng của lực cản lăn và lực phanh và đồng thời giảm tốc độ động cơ đột ngột (phanh bằng động cơ), thì bố trí các bánh xe với góc đặt ∆ có giá trị nhỏ hơn hoặc bằng không

6 Hệ thống lái có trợ lực.

6.1 Công dụng và sự cần thiết của hệ thống trợ lực lái.

Trợ lực của hệ thống lái có tác dụng giảm nhẹ cường độ lao động của người

lái Trên xe có tốc độ cao, trợ lực lái còn nâng cao tính an toàn chuyển động khi xe

có sự cố ở bánh xe và giảm va đập truyền từ bánh xe lên vành tay lái Ngoài ra để cải thiện tính êm dịu chuyển động, phần lớn các xe hiện đại đều dùng lốp bản rộng,

áp suất thấp để tăng diện tích tiếp xúc với mặt đường Kết quả là cần một lực lái lớn hơn

Vì vậy để giữ cho hệ thống lái nhanh nhạy trong khi chỉ cần lực lái nhỏ, phải có một vài loại thiết bị trợ giúp hệ thống lái gọi là trợ lực lái

6.2 Phân loại hệ thống trợ lực lái.

Dựa vào kết cấu và nguyên lý của van phân phối:

+ Hệ thống lái trợ lực kiểu van trụ tịnh tiến

+ Hệ thống lái trợ lực kiểu van cánh

Dựa vào vị trí của van phân phối và xi lanh lực:

+ Hệ thống lái trợ lực kiểu van phân phối, xy lanh lực đặt chung trong cơ cấu lái

+ Hệ thống lái trợ lực kiểu van phân phối, xy lanh lực đặt riêng

+ Hệ thống lái trợ lực kiểu van phân phối, xy lanh lực kết hợp trong đòn kéoHiện nay dạng bố trí thông dụng nhất trên hệ thống lái của xe là van phân phối, xy lanh lực và cơ cấu lái đặt chung Còn nguồn năng lượng là một bơm cánh gạt được dẫn động từ động cơ của xe nhờ dây đai

6.3 Nguyên lý trợ lực lái.

Bom Khối van điều khiển

6.3.1 Vị trí trung gian (khi xe chuyển động thẳng).

Dầu từ bơm được đẩy lên van điều khiển Nếu van ở vị trí trung gian, tất cả dầu sẽ chảy qua van vào cửa xả và hồi về bơm Vì áp suất dầu bên trái và bên phải piston là như nhau nên piston không chuyển động về hướng nào

Hình 1.17 - Sơ đồ nguyên lý trợ lực lái khi quay vòng.

B¬m Khèi van

®iÒu khiÓn

Piston

Xy lanh lùc

CHƯƠNG II TÍNH TOÁN HỆ THỐNG LÁI

Chiều rộng cơ sở : B= 1730 mmTrọng lượng không tải: G0= 17750 N Phân cho cầu trước: G01= 9000 NPhân cho cầu sau: G02= 8750 NTrọng lượng toàn tải: GT= 25100 N Phân cho cầu trước: G1= 12000 NPhân cho cầu sau: G2= 13100 N

Ký hiệu lốp: 215/80 R16S

h Km V

ph v Nm

M

ph v ml

N

e e

/160

/2400/295

/3600/125

max max max

Với xe thiết kế có hệ thống treo phụ thuộc, do đó chọn phương án dẫn động lái với hình thang lái Đantô (hình thang lái 4 khâu).

2.2 Chọn phương án cơ cấu lái.

Dựa vào những ưu điểm đã trình bày trong phần tổng quan cơ cấu lái, ta chọn phương án cho cơ cấu lái là loại trục vít - êcu bi - cung răng

Cơ cấu lái loại này có ưu điểm là hiệu suất cao (0,65 - 0,7), độ bền cao,

dễ dàng phối hợp với van phân phối và xy lanh của cường hoá thuỷ lực và hệ thống lái 4 khâu

III Tính toán động học hình thang lái.

Nhiệm vụ của tính toán động học hình thang lái là xác định những thông số tối ưu của hình thang lái, đảm bảo động học quay vòng của các bánh xe dẫn hướng

3.1 Xác dịnh kích thước hình học của hình thang lái và quan hệ động học của góc quay bánh xe dẫn hướng

3.1.1 Xây dựng quan hệ lý thuyết

Từ lý thuyết quay vòng, hệ thống lái phải đảm bảo gần đúng mối quan hệ giữa góc quay bánh xe dẫn hướng bên ngoài và bên trong so với tâm quay vòng Theo giáo trình thiết kế và tính toán ôtô máy kéo mối quan hệ đó được thể hiện ở công thức sau:

L

B g

β : là góc quay của bánh xe dẫn hướng bên ngoài

α : là góc quay của bánh xe dẫn hướng bên trong

Khi xe đi thẳng các đòn bên tạo với phương dọc một góc θ Khi ôtô quay vòng với các bán kính quay vòng khác nhau mà quan hệ giữa α và β vẫn được giữ nguyên như công thức trên thì hình thang lái Đantô không thể thoả mãn hoàn toàn

hệ lý thuyết trong giới hạn cho phép tức là độ sai lệch giữa góc quay vòng thực tế

và lý thuyết cho phép lớn nhất ở những góc quay lớn không được vượt quá 1,5 độ

Hình2.1 Sơ đồ động học hình thang lái khi xe đi thẳng.

Hình2.2 Sơ đồ động học quay vòng xe có hai bánh dẫn hướng phía

α β

B L

R s

0

α β

Thay các giá trị tương ứng ta có bảng sau (đơn vị đo góc là độ):

Bảng 1: Quan hệ giữa β và α theo lý thuyết

lt

α 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 40.00

lt

β 0.00 4.74 9.03 12.95 16.53 19.85 23.05 26.00 28.92

3.1.2 Xây dựng các quan hệ thực tế của cơ cấu Đantô

Hình thang lái Đantô là cơ cấu đảm bảo gần đúng quan hệ của công thức trên Khi cho trước các kích thước B0,L.,m,n,θ thì quan hệ α,β được xác định nhờ công thức sau:

0 2

2

0

2 0

sin.2sin.2sin

.arcsin

sin

cos

αθα

θ

θθ

α

θα

θ

αθθ

β

+

−++

+

−+

−

−+

−

++

=

m B m

B m

B m m

Dùng phương pháp đồ thị để kiểm tra sự sai khác của đường đặc tính hình thang lái thực tế so với lý thuyết theo quan hệ β = f(θ,α)

45,02370.7,0.2

1480

7,0.2)90(cot

θ

L

B g

Dựa vào công thức (2-2) ta xây dựng các đường đặc tính hình thang lái thực

tế ứng với mỗi giá trị của góc α Đồng thời ta lấy thêm một vài giá trị lân cận với góc θ để so sánh Các giá trị tương ứng được thể hiện trong bảng dưới đây:

Với: ∆β =βlt −βtt

Bảng 2: Bảng giá trị quan hệ giữa α và β phụ thuộc vào góc θ

Dựa vào các số liệu trong bảng trên ta vẽ được đồ thị đặc tính động học hình thang lái lý thuyết và thực tế trên cùng một hệ trục toạ độ

3.2 Xác định mômen cản quay vòng và lực lái lớn nhất.

Lực đặt lên vành lái được xác định cho trường hợp ôtô quay vòng tại chỗ vì lúc này lực cản quay vòng đạt giá trị cực đại Lúc đó mômen cản quay vòng trên một bánh xe dẫn hướng Mc sẽ bằng tổng số của 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 các bánh xe và trụ đứng

Gbx – trọng lượng tác dụng lên một bánh xe dẫn hướng

)(60002

120002

Suy ra: 125( )

2

14801730

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

Hỡnh 2.6 Lực ngang Y do lốp xe cú tớnh đàn hồi khi chịu mụmen quay vũng

Với ϕ là hệ số bỏm ngang Lấy ϕ = 0,85

Vậy:

)(35,2980585.0.85,0.6000

Để làm ổn định cỏc bỏnh xe dẫn hướng người ta

làm cỏc gúc đặt bỏnh xe Tất cả cỏc gúc này để

làm ổn định cho hệ thống lỏi nhưng chỳng làm

xuất hiện mụmen cản M3 Việc tớnh toỏn mụmen

này tương đối phức tạp nờn giỏ trị mụmen cản

M3 được kể đến bởi hệ số χ

χ = 1,07 ữ 1,15 Ta chọn χ = 1,1

Mụmen cản quay vũng tại 1 bỏnh xe dẫn hướng là:

M =(M1 +M2)χ (2- 8) Như vậy mụmen cản quay vũng tại cầu dẫn hướng được tớnh như sau:

l c

M M M

,0

1,1)35,29830.(

2

Nm

3.2.3 Xỏc định lực cực đại tỏc dụng lờn vành tay lỏi.

3.2.3.1 Tỷ số truyền của dẫn động lái i d

Tỷ số truyền của dẫn động lái phụ thuộc vào kích thớc và quan hệ của các cánh tay đòn

Y

α′ : Gäi lµ vßng quay vµnh l¸i lín nhÊt tÝnh tõ vÞ trÝ th¼ng.

Víi xe thiÕt kÕ lµ xe du lÞch ta chän α′max = 1,75vßng.

αα

′

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

max

1

ic – tỷ số truyền cơ cấu lái ic =20,5.?

ηth – hiệu suất thuận của cơ cấu lái, đối với cơ cấu lái

trục vít- êcu bi hiệu suất thuận ηth = 0,7

itr – tỷ số truyền của truyền động lái

3.2.4 Xác định góc quay vành lái và bán kính quay vòng ôtô:

1 max

2370

0 max

tg tg

L R

Bán kính nhỏ nhấtRtmincủa hành lang quét phía trong:

)(37432

2151258

,30

2151255

,23sin

23702

do đó: iω =

Ω d

θ d = 2π.p R c2

⇒ Rc2 =

π

ω.2

.p

i

4.2 Thiết kế bộ truyền trục vít- êcu bi

Tỷ số truyền của hệ thống lái:

t L

c

P R

M i

η

max

.

= (2-18)Trong đó: Mc - Mômen cản khi quay vòng tại chỗ, Mc = 1204 (Nm)

R - bán kính vành lái, R = 200 (mm)

ỗt = 0,7– hiệu suất truyền lực thuận của hệ thống lại

7,0.5,419

1 vỏ cơ cấu lái 6 Phớt

2 ổ bi dưới 7 Đai ốc điều chỉnh 3.Trục vít 8 Đai ôc hãm

4 Êcu bi 9 Bánh răng rẻ quạt

5 ổ bi trên 10.Bi

Hình 2.9- Hệ thống lái trục vít - êcu- bi-thanh răng, cung răng

Tỷ số truyền của cơ cấu lái: