TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LÁI TRÊN ÔTÔ
Giới thiệu xe ô tô INNOVA J
Hình 1.1 Tuyến hình xe INNOVA J
INNOVAJ là sản phẩm của dòng xe đa dụng hiện đại, với nhiều phiên bản tại Việt Nam như innovaJ, innovaG, innovaV và innovaE, sử dụng cả số tự động và số tay Tất cả đều trang bị động cơ 4 xy lanh thẳng hàng, VVT-i và phun xăng điện tử Phiên bản INNOVA J có ba màu sắc: trắng, xanh nhạt và đỏ Động cơ thế hệ mới 2.0 với hệ thống phân phối khí thông minh giúp INNOVAJ hoạt động mạnh mẽ, tiết kiệm nhiên liệu và thân thiện với môi trường, đạt tiêu chuẩn khí thải Euro 2 Thiết kế của INNOVAJ mang đến vẻ lịch lãm và sang trọng.
Xe Innova kết hợp thiết kế thể thao năng động với tính tiện dụng, mang đến sức hút đặc biệt Với không gian rộng rãi 8 chỗ ngồi, xe đáp ứng nhu cầu gia đình mà vẫn sang trọng cho công việc Dòng xe này được trang bị đầy đủ tính năng an toàn chủ động như hệ thống chống bó cứng phanh ABS, cảm biến lùi và chìa khóa điều khiển từ xa, cùng với các tính năng an toàn bị động như túi khí và dây đai an toàn, đảm bảo bảo vệ tối đa cho người sử dụng.
THÔNG SỐ KĨ THUẬT XE
Kiểu động cơ 4 xi lanh thẳng hàng, 16 van, cam kép với
Dung tích xi lanh 1998cc
Chiều dài cơ sở 2750mm
Chiều rộng cơ sở trước/sau 1510/1510mm
Trọng lượng không tải 1530kg
Trọng lượng khi toàn tải 2170kg
Dung tích bình nhiên liệu 55 l
Khoảng cách giữa hai trụ đứng 1370mm
Giới thiệu chung về hệ thống lái
Phương tiện giao thông cần đảm bảo an toàn khi tham gia giao thông, với hướng di chuyển được kiểm soát bởi người điều khiển Điều này giúp đảm bảo việc điều khiển xe diễn ra một cách nhẹ nhàng, nhanh chóng và chính xác theo ý muốn của người lái.
Khi xe chuyển động, nó có thể đi thẳng, quay vòng hoặc tránh chướng ngại vật, và tất cả những hành động này đều được điều khiển bởi hệ thống lái Hệ thống lái đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh hướng đi của xe theo ý muốn của người lái.
Hệ thống lái là bộ phận quan trọng trong xe, có chức năng điều khiển hướng di chuyển, giúp duy trì hoặc thay đổi hướng chuyển động của xe một cách chính xác.
Trên ô tô, có nhiều phương pháp để thay đổi hướng chuyển động, bao gồm chuyển hướng cả cầu xe (như xe romooc), điều khiển tốc độ bánh xe (trong máy kéo và xe máy công trình), và thay đổi hướng bánh xe Hiện nay, phương pháp phổ biến nhất là điều khiển hướng của các bánh xe dẫn hướng.
Hệ thống lái nhận tác động từ người lái và điều khiển các bánh xe di chuyển theo quỹ đạo mong muốn Việc điều khiển này cần đảm bảo tính linh hoạt, nhanh chóng và chính xác.
Hệ thống lái thông dụng bao gồm các thành phần chính như cơ cấu điều khiển (vành lái, trục lái), cơ cấu lái và các đòn dẫn động, giúp chuyển hướng bánh xe xung quanh trụ đứng một cách hiệu quả.
Hệ thống lái đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao an toàn điều khiển và chất lượng chuyển động của xe, đặc biệt khi xe đạt tốc độ cao Do đó, hệ thống lái ngày càng được cải tiến để đáp ứng nhu cầu này.
1.2.2 Phân loại hệ thống lái trên ô tô :
Có nhiều cách để phân loại hệ thống lái ô tô tuỳ theo từng phương pháp mà có các cách phân loại khác nhau Có các cách phân loại sau:
- Theo phương pháp chuyển hướng
+ Chuyển hướng bánh xe dẫn hướng phía trước
+ Chuyển hướng tất cả các bánh xe phía trước phía sau
+ Chuyển hướng cầu xe: Xe Romooc
+ Chuyển hướng thân xe: máy công trình
- Theo cách bố trí vành lái:
+ Bố trí vành lái bên trái ( theo luật đi đường bên phải)
+ Bố trí vành lái bên phải( theo luật đi đường bên trái)
- Theo đặc điểm truyền lực:
+ Hệ thống lái cơ khí
+ Hệ thống lái cơ khí có trợ lực với các kiểu trợ lực ( thủy lực, khí, điện, cơ khí)
- Theo kết cấu của hệ thống đoàn dẫn động lái:
+ Phù hợp với hệ thống treo độc lập
+ Phù hợp với hệ thống treo phụ thuộc
- Theo cách biến đổi kiểu truyền động ( phụ thuộc vào kết cấu của cơ cấu lái)
+ Biến chuyển động quay của hệ thống điều khiển thành chuyển động quay của các đoàn: ( trục vít – bánh vít; trục vít – ê cu bi)
+ Biến chuyển động quay của hệ thống điều khiển thành chuyển động tịnh tiến của các đoàn điều khiển ( bánh răng - thanh răng)
1.2.3 Yêu cầu của hệ thống lái trên ô tô :
- Hệ thống lái phải đảm bảo những yêu cầu chính sau:
+ Đảm bảo chuyển động thẳng ổn định
+ Đảm bảo tính cơ động cao: Tức xe có thể quay vòng thật ngoặt trong một khoảng thời gian rất ngắn trên một diện tích thật bé
Để đảm bảo động học quay vòng chính xác, cần ngăn chặn hiện tượng trượt lê của bánh xe Điều này giúp tránh mòn lốp, giảm thiểu tiêu hao công suất không cần thiết và nâng cao tính ổn định của xe.
+ Điều khiển nhẹ nhàng, thuận tiện
Đảm bảo tỷ lệ giữa lực tác dụng lên vô lăng và mô men quay của các bánh xe dẫn hướng là rất quan trọng để tạo ra cảm giác đường tốt Đồng thời, cần thiết phải duy trì sự tương ứng động học giữa góc quay của vô lăng và bánh xe dẫn hướng để cải thiện hiệu suất lái xe.
Giới thiệu các hệ thống lái thường gặp
1.3.1 Hệ thống lái trên hệ thống treo phụ thuộc:
Hình 1.2 Sơ đồ hệ thống lái với hệ thống treo phụ thuộc
1 Vành lái; 2 Trục lái; 3 Cơ cấu lái; 4 Trục ra của cơ cấu lái; 5 Đòn quay đứng; 6 Đòn kéo dọc; 7 Đòn quay ngang; 8 Cam quay; 9 Cạnh bên của hình thang lái;10 Đòn kéo ngang; 11 Bánh xe dẫn hướng;12 Bộ phận phân phối;
Hệ thống lái bao gồm các thành phần chính như vành lái, trục lái, cơ cấu lái, hệ dẫn động lái, bộ phận trợ lực lái và giảm chấn Hình ảnh minh họa cho thấy sơ đồ của hệ thống lái thông dụng, điều khiển hướng chuyển động cho hai bánh dẫn hướng trên cầu trước.
Khi người lái đánh lái, họ tác động lên vành lái, qua trục lái dẫn đến cơ cấu lái Chuyển động từ cơ cấu lái được truyền đến bộ phận dẫn động lái thông qua đòn quay đứng Bộ phận dẫn động lái bao gồm đòn kéo dọc, đòn quay ngang, hình thang lái và các cam quay bên trái, bên phải, giúp quay bánh xe ở hai bên.
Hệ thống treo phụ thuộc có cấu trúc mà cả hai bánh xe được hỗ trợ bởi một hộp cầu xe hoặc dầm cầu xe, dẫn đến việc chúng sẽ cùng dao động khi gặp chướng ngại vật Các đặc điểm nổi bật của loại hệ thống treo này bao gồm tính đồng bộ trong chuyển động của hai bánh xe.
+ Cấu tạo đơn giản, ít chi tiết vì thế dễ bảo dưỡng
+ Có độ cứng vững cao nên có thể chịu được tải nặng
+ Vì có độ cứng vững cao nên khi xe đi vào đường vòng, thân xe ít bị nghiêng
+ Định vị của các bánh xe ít thay đổi do chuyển động lên xuống của chúng, nhờ thế mà các bánh xe ít bị mòn
Hệ thống lái này có nhiều ưu điểm nổi bật, bao gồm tỉ số truyền lớn, kết cấu đơn giản, và dễ dàng trong việc bảo dưỡng cũng như sửa chữa.
+ Nhược điểm : Khó khăn cho việc bố trí trợ lực lái
+ Áp dụng trên những xe có tải trọng lớn, tải trọng trung bình, xe khách
1.3.2 Hệ thống lái trên hệ thống treo độc lập
Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống lái với hệ thống treo độc lập
1 Vô lăng; 2.Trục lái; 3.Cơ cấu lái; 4.Trục ra của cơ cấu lái; 5.Đòn quay; 6.Bộ phận dẫn hướng của hệ thống treo; 7.Đòn kéo bên; 8.Đòn lắc; 9.Bánh xe dẫn hướng
Hệ thống treo độc lập cho phép hai bên bánh xe di chuyển độc lập, do đó, dẫn động lái cần đảm bảo không làm ảnh hưởng đến khả năng di chuyển của hệ thống treo, đồng thời vẫn phải điều khiển được các bánh xe dẫn hướng ở hai bên cầu trước Để đạt được yêu cầu này, dẫn động lái trên hệ thống treo độc lập sử dụng các đòn chia cắt, đảm bảo tuân thủ nguyên tắc động học Ackerman và có hình dáng cơ bản là hình thang lái Danto.
Hệ thống treo độc lập cho phép mỗi bánh xe của ô tô dao động riêng biệt khi di chuyển, chịu tác động từ mặt đường mà không bị ảnh hưởng lẫn nhau như trong hệ thống treo phụ thuộc Điều này giúp cải thiện khả năng lái và ổn định cho xe.
11 yếu tố này đảm bảo tính năng riêng biệt của kết cấu xe, giúp hệ thống lái hoạt động hiệu quả và duy trì sự êm ái, tiện nghi trong suốt quá trình di chuyển.
Sự truyền momen hiệu quả nhờ vào sức cản thấp trong cơ cấu lái, tạo cảm giác tay lái nhẹ nhàng Độ dơ của cơ cấu lái cũng được giảm thiểu, cùng với khả năng tự điều chỉnh, giúp cấu trúc trở nên đơn giản và gọn nhẹ hơn.
- Phạm vi áp dụng: Áp dụng trên các xe con, xe có tải trọng nhỏ, xe du lịch,
Lựa chọn phương án thiết kế
Sau khi nghiên cứu thực tế xe INNOVA, tôi quyết định chọn thiết kế trục vít – thanh răng kết hợp với trợ lực lái thủy lực Dưới đây là sơ đồ bố trí chung của hệ thống lái mà tôi đã thiết kế.
Hình 1.4: Sơ đồ bố trí chung của hệ thống lái
1 Cơ cấu lái; 2 Trợ lực tay lái; 3 Bình chứa dầu; 4 Trục lái; 5 Vô lăng
PHÂN TÍCH KẾT CẤU HỆ THỐNG LÁI XE TOYOTA
Sơ đồ chung hệ thống lái xe INNOVA
Hệ thống lái của ôtô Toyota INNOVA được trang bị trợ lực, bao gồm các thành phần chính như vành tay lái, trục lái, các đăng truyền động, cơ cấu lái, bộ trợ lực thuỷ lực và dẫn động lái Trên mẫu xe này, cơ cấu lái và bộ trợ lực lái được bố trí thành hai cụm riêng biệt, như thể hiện trong sơ đồ hình 2.1.
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 tăng khả năng dao động các bánh xe dẫn hướng
Bộ trợ lực thuỷ lực giúp giảm lực điều khiển của người lái và giảm va đập từ đường xấu lên vô lăng, đồng thời tăng cường tính an toàn khi một bánh xe dẫn hướng bị nổ, giúp người lái dễ dàng giữ tay lái và thực hiện phanh ngặt Bơm trợ lực lái, loại bơm cánh gạt, được lắp đặt trên thân động cơ và được truyền động từ trục khuỷu thông qua dây đai.
Bộ trợ lực thủy lực giúp giảm lực điều khiển cho người lái, đồng thời giảm thiểu va đập từ đường xấu lên vô lăng, tăng cường an toàn khi một bánh xe dẫn hướng bị nổ, giúp người lái kiểm soát xe tốt hơn và thực hiện phanh kịp thời Ngoài ra, tay lái có khả năng điều chỉnh theo 4 hướng, bao gồm gật gù và điều chỉnh xa-gần, mang lại sự thoải mái tối ưu cho người lái.
Cơ cấu lái sử dụng trục răng-thanh răng, nổi bật với thiết kế nhỏ gọn và tỷ số truyền thấp Loại cơ cấu này mang lại độ nhạy cao, dễ chế tạo và có hiệu suất vượt trội.
Hình 2.1 Sơ đồ kết cấu hệ thống lái
1 Đai ốc hãm; 2 Khớp cầu; 3 Đòn quay đứng; 4 Đai ốc dầu; 5 Đường dầu từ bơm đến; 6 Đường dầu hồi về bình chứa; 7 Hộp điều khiển lái; 8 Vô lăng; 9 Trục lái; 10 Trục các đăng; 11 Khớp các đăng; 12 Đai ốc định vị trục van điều khiển; 13 Cơ cấu lái; 14 Gân tăng cứng; 15 Đường dầu nối giữa khoang phải xylanh với van xoay; 16 Đường dầu nối giữa khoang trái xylanh với van xoay; 17 Xylanh trợ lực; 18 Đai ốc dầu; 19 Thanh kéo ngang; 20 Thanh kéo bên; 21 Đai ốc hãm; 22 Bánh xe; 23 Puly; 24 Bơm; 25 Bình chứa dầu; 26 Đai ốc dầu.
Cơ cấu lái xe INNOVA
Trục răng kết hợp với các thanh răng phía dưới, khi vành lái quay, trục răng cũng quay, di chuyển thanh răng sang trái hoặc phải Sự chuyển động này dẫn động các đòn ngang bên, liên kết với đòn quay bánh xe, giúp thực hiện việc điều hướng bánh xe theo yêu cầu của người lái.
Hình 2.2 Cơ cấu lái INNOVA
1 Chốt chẻ ; 2 Rô tuyn lái; 3 Bộ hãm đầu xi lanh; 4 Dẫn hướng thanh răng; 5
Phớt dầu; 6 Ống dẫn dầu; 7 Doăng chữ O; 8 Đệm kim loại; 9 Van điều khiển;
10 Cao su chắn bụi; 11 Đòn kéo ngang; 12 Đai ốc; 13 thanh răng; 14 Trục răng
Trục răng được hỗ trợ bởi hai ổ bi, và độ dịch chuyển dọc của trục răng được điều chỉnh thông qua các ổ bi có ốc điều chỉnh nằm ở phía ngoài, tiếp xúc với ổ bi ở đầu trên.
Thanh răng được thiết kế với một bên cắt răng và một bên tròn, cho phép nó trượt trên các bạc trượt hình vành khăn Một bạc trượt được đặt ở phía không cắt răng, trong khi bạc trượt nửa hình vành khăn nằm bên dưới và có thể điều chỉnh thông qua ê cu điều chỉnh Khe hở giữa bạc trượt và ê cu giúp lò xo hoạt động hiệu quả, giữ bạc sát vào thanh răng, và ê cu được khóa để ngăn ngừa hiện tượng tự nới lỏng Ưu điểm của thiết kế này mang lại sự ổn định và hiệu suất cao cho cơ cấu lái.
+ Do ăn khớp trực tiếp nên có độ nhạy cao
+ Sự truyền mô men tốt do sức cản trong cơ cấu nhỏ nên tay lái nhẹ
+ Hiệu suất thuận bằng hiệu suất nghịch bằng( 0,8-0,9)
+ Độ dơ cơ cấu lái nhỏ và có khả năng tự động điều chỉnh
+ Cấu trúc đơn giản gọn nhẹ Các cơ cấu được bọc kín nên ít phải bảo dưỡng sửa chữa
Tỷ số truyền của bộ truyền thường không thay đổi khi đánh lái sang phải hoặc trái Tuy nhiên, trong một số cơ cấu, tỷ số truyền có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi kết cấu của bộ truyền.
Dẫn động lái xe INNOVA
2.3.1 Sơ đồ dẫn động lái
Hình 2.3 Dẫn động lái INNOVA
1 Trục các đăng; 2 Vành tay lái; 3 Bánh xe dẫn hướng; 4 Trục răng; 5 Thanh răng; 6 Đòn dẫn động bánh xe dẫn hướng
Dẫn động lái trên ôtô INNOVA bao gồm toàn bộ các chi tiết truyền lực từ cơ cấu lái đến các bánh xe dẫn hướng, trong đó bộ phận cơ bản và quan trọng nhất là hệ thống dẫn động.
137015101236,19 động lái là hình thang lái, được tạo bởi cầu trước, đòn kéo ngang, và các cạnh bên
Nhiệm vụ chính của hệ thống này là đảm bảo động học quay vòng chính xác cho các bánh xe, ngăn chặn hiện tượng trượt khi quay vòng Điều này giúp giảm mài mòn lốp, giảm tổn hao công suất và nâng cao tính ổn định khi xe vào cua.
Khi người lái thực hiện việc đánh lái sang trái hoặc phải, họ tác động lên vành tay lái, thông qua trục lái dẫn đến cơ cấu lái và trục răng Quá trình này tiếp tục qua thanh răng và đòn dẫn động, giúp quay bánh xe dẫn hướng sang trái hoặc sang phải.
Hệ thống dẫn động INNOVA là một cơ cấu cơ khí được thiết kế với các đòn rỗng nhằm tiết kiệm nguyên vật liệu Các đòn này được liên kết với nhau qua các khớp cầu, đảm bảo khả năng tự lựa chọn mà không có khe hở, mang lại hiệu suất hoạt động cao và độ bền lâu dài.
Để ngăn chặn hiện tượng trượt của các bánh xe dẫn hướng khi ô tô quay vòng, cần đảm bảo rằng đường vuông góc với vector tốc độ của tất cả các bánh xe gặp nhau tại một điểm duy nhất Điểm này được gọi là tâm quay vòng tức thời của ô tô (Điểm O).
- Quan hệ hình học ACKERMAN:
Quan hệ hình học Ackerman mô tả mối quan hệ giữa góc quay của bánh xe dẫn hướng và trục đứng, với giả định rằng tâm quay tức thời của xe nằm trên đường kéo dài của tâm trục cầu sau.
Hình 2.4: Quan hệ hình học của ACKERMAN
Để thực hiện quay vòng đúng, các bánh xe dẫn hướng trên cùng một cầu cần quay theo các góc khác nhau, cụ thể là góc và Mối quan hệ hình học giữa các bánh xe này được xác định bởi một biểu thức cụ thể.
L : Chiều dài cơ sở của xe
B0 : Khoảng cách của hai đường tâm trục quay đứng của bánh xe dẫn hướng
, : Góc quay của bánh xe dẫn hướng phía trong và phía ngoài
Để đảm bảo điều kiện (2.1), xe sử dụng cơ cấu hình thang lái 4 khâu, hay còn gọi là hình thang lái Đantô Mặc dù hình thang lái Đantô chỉ áp dụng gần đúng với điều kiện trên, nhưng nhờ vào kết cấu đơn giản, nó được sử dụng rất phổ biến Mỗi loại xe có kích thước và vị trí đòn của cơ cấu 4 khâu được thiết kế sao cho sai lệch trong mối quan hệ hình học với hình học ACKERMAN chỉ nằm ở góc quay lớn của bánh xe dẫn hướng Giá trị sai lệch so với lý thuyết dao động từ 0° 30' đến 1° khi bánh xe dẫn hướng ở vùng quay vòng gấp.
2.3.2 Khớp cầu của thanh kéo bên
Hình 2.5 Kết cấu khớp cầu của thanh kéo bên 1.Lỗ lắp chốt chẻ; 2.Khớp cầu; 3.Đai ốc hãm
Khớp cầu trong hệ thống lái của xe INNOVA chịu tải trọng theo cả phương thẳng đứng và ngang, đồng thời đóng vai trò là tâm quay khi quay vô lăng Tất cả các khớp liên kết trong dẫn động lái xe đều là khớp cầu, giúp đảm bảo khả năng tự lựa mà không có khoảng hở.
Trợ lực lái
Bơm trợ lực lái trên xe INNOVA là bơm cánh gạt tác dụng kép với 10 cánh gạt, thực hiện hai lần hút và hai lần đẩy trong một vòng quay Loại bơm này có ưu điểm về kết cấu nhỏ gọn, đơn giản, dễ chế tạo, làm việc tin cậy, ít hư hỏng và khả năng điều chỉnh lưu lượng hiệu quả.
Hình 2.6 Kết cấu bơm trợ lực lái loại cánh bơm cánh gạt
1 - Trục bơm; 2 - Vỏ bơm; 3 - Stato; 4 - Roto; 5 - Đường dẫn dầu; 6 - Đường dầu tới van điều chỉnh lưu lượng; 7 - Cánh gạt; 8 - Chốt định vị; 9 - Bu lông lắp
Bơm cánh gạt hoạt động nhờ mômen từ động cơ thông qua hệ thống puly-đai Thiết bị này bao gồm 10 cánh gạt có khả năng di chuyển trong các rãnh của roto, giúp tối ưu hóa hiệu suất bơm.
Nguyên lý hoạt động của bơm trợ lực thủy lực:
Khi roto quay, lực ly tâm khiến các cánh gạt văng ra và tiếp xúc với không gian kín hình ô van Dầu thủy lực được hút từ đường ống áp suất thấp và nén đến đầu ra áp suất cao, với lượng dầu phụ thuộc vào tốc độ động cơ Bơm được thiết kế để cung cấp đủ dầu ngay cả khi động cơ chạy không tải, nhưng sẽ cung cấp quá nhiều dầu khi động cơ hoạt động ở tốc độ cao Để tránh quá tải cho hệ thống ở áp suất cao, van giảm áp được lắp đặt, cho phép dầu trở về khoang chứa khi áp suất quá lớn.
2.4.2 Trợ lực lái kiểu van xoay
Hiện nay, trợ lực thủy lực với thiết kế gọn nhẹ đang trở thành lựa chọn phổ biến cho ô tô, đặc biệt là trong các hệ thống lái sử dụng trục vít, ê cu bi, thanh răng và bánh răng.
Bộ trợ lực lái là một bộ điều khiển tự động bao gồm: nguồn nwag lượng van phân phối và xy lanh lực
Trên ô tô INNOVA người ta lắp cơ cấu lái kiểu Bánh răng-Thanh răng kết hợp dùng trợ lực thủy lực trực tiếp kiểu van xoay
Cơ cấu lái với tỷ số truyền nhỏ và kết cấu đơn giản mang lại hiệu suất cao, vì vậy nó được ưa chuộng trong các loại ô tô con và ô tô tải nhỏ.
th và ng là hiệu suất thuận và hiệu suất nghịch của cơ cấu lái
1 Vỏ cơ cấu lái; 2 Ổ bi; 3 Trục răng; 4 Đường dầu hồi về bình chứa; 5 Đường dầu cao áp từ bơm; 6 Vòng chắn dầu; 7 Đường dầu đến khoang bên phải xy lanh; 8 Đường dầu đến khoang bên trái xy lanh; 9 Dẫn hướng thanh răng; 10
Vòng đệm; 11 Vít điều chỉnh; 12 Lò xo ép
Nguyên lý làm việc của trợ lực lái: a Khi xe đi thẳng
Khi xe di chuyển thẳng, van xoay ở vị trí trung gian và áp suất chất lỏng trong khoang I và II của xylanh lực là như nhau, dẫn đến piston không dịch chuyển Thanh răng giữ nguyên vị trí, giúp xe ổn định Trong tình huống này, va đập từ bánh xe được giảm thiểu nhờ vào chất lỏng có áp suất cao.
Hình 2.8 Van xoay ở vị trí trung gian
1 Xy lanh; 2 Thân van ngoài; 3 Thân van trong; 4 Thanh xoắn; 5 Bơm; 6.Bình chứa; a Đường dầu hồi b Khi xe quay vòng sang trái
Khi xe quay vòng sang trái, van xoay nằm ở vị trí cho phép dầu từ bơm chảy vào khoang I của xylanh, đồng thời mở đường dầu ở khoang II để hồi về bình chứa Quá trình này khiến thanh răng dịch chuyển sang trái, từ đó làm bánh xe quay sang trái, thực hiện việc quay vòng.
Khi dừng quay vành tay lái, thân van trong giữ nguyên vị trí, trong khi dầu vẫn tiếp tục chảy vào khoang I Điều này làm bánh răng quay ngược chiều, khiến thanh xoắn trở lại và các cửa van mở ở trạng thái nhất định Kết quả là tạo ra chênh áp suất ổn định giữa hai khoang I và II, đảm bảo ô tô không tiếp tục quay.
Hình 2.9 Van hoạt động quay trái
1 Xy lanh; 2 Thân van ngoài; 3 Thân van trong; 4 Thanh xoắn; 5 Bơm;
6 Bình chứa; a Đường dầu hồi c Khi xe quay vòng sang phải
Khi xe quay vòng sang phải, cụm van xoay sẽ chuyển đến vị trí tương ứng, cho phép dầu từ bơm chảy vào khoang II của xylanh Đồng thời, van mở đường dầu ở khoang I sẽ thông với đường dầu hồi về bình chứa, giúp thanh răng dịch chuyển sang bên phải, từ đó đẩy bánh xe quay sang phải và thực hiện quá trình quay vòng.
Khi dừng quay vành tay lái, thân van trong giữ nguyên vị trí, trong khi dầu vẫn chảy vào buồng II, đẩy bánh răng ngược chiều để thanh xoắn trở lại Các cửa van mở ở trạng thái nhất định, tạo ra chênh áp suất ổn định giữa hai khoang I và II, đảm bảo ô tô không tiếp tục quay.
+ Độ rơ kết cấu của hệ thống lái phụ thuộc nhiều vào độ rơ của cơ cấu lái
Sự gài trợ lực phụ thuộc vào độ cứng của thanh xoắn đàn hồi Khả năng trợ lực
Hệ thống lái 23 hoạt động thông qua quá trình biến dạng của thanh xoắn, cho phép mở thông các đường dầu Kết cấu này tạo ra khe hở nhỏ nhờ vào việc gia công chính xác các miệng rãnh đường dầu của thân van trong và ngoài của van phân phối Khi thanh xoắn nhỏ, khả năng trợ lực sẽ xuất hiện sớm hơn Thanh xoắn được cố định ở đầu trên với trục van điều khiển và đầu dưới với bánh răng bằng chốt cố định.
Thanh xoắn đàn hồi có khả năng xoay 70 độ từ vị trí trung gian sang hai bên, tạo ra sự quay tương đối giữa thân van trong và thân van ngoài, giúp đóng mở tối đa đường dầu một cách hiệu quả.
+ Kết cấu van xoay cho phép khả năng tạo nên góc mở thông các đường dầu bé, do vậy độ nhạy của cơ cấu cao
Hình 2.10 Van hoạt động quay phải 1.Xy lanh; 2.Thân van ngoài; 3.Thân van trong; 4.Thanh xoắn; 5.Bơm;
6 Bình chứa; a Đường dầu hồi.
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG LÁI
Tính toán động học hình thang lái
3.1.1 Xác dịnh kích thước hình học của hình thang lái và quan hệ động học của góc quay bánh xe dẫn hướng a Xây dựng quan hệ lý thuyết
Theo lý thuyết quay vòng, hệ thống lái cần đảm bảo mối quan hệ chính xác giữa góc quay của bánh xe dẫn hướng bên ngoài và bên trong so với tâm quay vòng Công thức mô tả mối quan hệ này được nêu trong giáo trình thiết kế và tính toán ôtô máy kéo.
L g B gcot o cot (3.1) suy ra: cotg= g
B 0 : khoảng cách giữa 2 trụ đứng
L : chiều dài cơ sở của xe
: Là góc quay của bánh xe dẫn hướng bên ngoài
: Là góc quay của bánh xe dẫn hướng bên trong
Khi xe di chuyển thẳng, các đòn bên tạo với phương dọc một góc Khi ôtô quay vòng với các bán kính khác nhau, quan hệ giữa các góc và vẫn giữ nguyên như trong công thức, tuy nhiên hình thang lái Đantô không thể hoàn toàn đáp ứng Dù vậy, chúng ta có thể thiết kế một kết cấu hình thang lái sao cho sai lệch với quan hệ lý thuyết nằm trong giới hạn cho phép, tức là độ sai lệch giữa góc quay vòng thực tế và lý thuyết không được vượt quá 1,5 độ ở những góc quay lớn.
Khi xe quay vòng, để các bánh xe dẫn hướng không bị trượt, đường vuông góc với véc tơ vận tốc của tất cả bánh xe cần gặp nhau tại một điểm, được gọi là tâm quay vòng tức thời của xe (điểm o trên hình 3.2).
Thay các giá trị tương ứng ta có bảng sau (đơn vị đo góc là độ):
Hình 3.1 Sơ đồ động học hình thang lái khi xe đi thẳng
Hình 3.2 Sơ đồ động học quay vòng xe có hai bánh dẫn hướng phía trước
Bảng 3.1: Quan hệ giữa và theo lý thuyết b Xây dựng các quan hệ thực tế của cơ cấu Đantô
Hình 3.3 Sơ đồ để tính hình thang lái
Hình thang lái Đantô là cơ cấu đảm bảo gần đúng quan hệ của công thức trên Khi cho trước các kích thước B 0 ,L.,m,n, ta tìm mối quan hệ giữa ,:
Từ sơ đồ hình (3.3) ta có:
=> D’F = B0 – ED’ – FH = B0 – msin( + ) – msin( − ) (1) Mặt khác:
0 cos sin sin 2 sin 2 sin arcsin sin
Khi biết trước một góc , mỗi giá trị của góc sẽ tương ứng với một giá trị của , tạo thành hàm số = f(,) thể hiện đường cong đặc tính thực tế của hình thang lái Nhiệm vụ quan trọng là lựa chọn các thông số của hình thang lái một cách hợp lý để giảm thiểu sự khác biệt giữa đường cong đặc tính thực tế và đường đặc tính lý thuyết.
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 = f(,)
Chọn sơ bộ góc ban đầu theo công thức của Chuđakop
Ta tính được 19 35 ( theo kinh nghiệm thiết kế)
Cho các giá trị xung quanh giá trị sơ bộ (1 0 )
Dựa vào công thức (3.2), chúng ta xây dựng các đường đặc tính hình thang lái thực tế cho từng giá trị của góc α Đồng thời, chúng ta cũng lấy thêm một số giá trị lân cận với góc θ để thực hiện so sánh Các giá trị tương ứng được trình bày trong bảng dưới đây.
Bảng 3: Bảng giá trị quan hệ giữa và phụ thuộc vào góc
Dựa vào số liệu trong bảng, chúng ta có thể xây dựng đồ thị đặc tính động học hình hang lái, so sánh lý thuyết và thực tế trên cùng một hệ trục tọa độ.
Hình 3.4: Đồ thị đặc tính động học hình thang lái
Nhận thấy rằng độ sai lệch giữa góc quay vòng thực tế và góc quay vòng lý thuyết nhỏ nhất là giá trị = 19 0
Sau khi chọn xong góc ta tính n:
3.1.2 Xác định mômen cản quay vòng và lực lái lớn nhất
Lực tác động lên vành lái trong trường hợp ôtô quay vòng tại chỗ đạt giá trị cực đại do lực cản quay vòng Mômen cản quay vòng trên một bánh xe dẫn hướng Mc được xác định bằng tổng của mômen cản lăn M1, mômen ma sát giữa bánh xe và mặt đường M2, cùng với mômen ổn định M3 do các góc đặt của bánh xe và trụ đứng tạo ra.
Hình3.4: Sơ đồ lực tác dụng lên hệ thống lái a Mômen c ản M 1
Mômen cản quay vòng được xác định theo công thức:
Gbx – trọng lượng tác dụng lên một bánh xe dẫn hướng
G bx G Với G1:Khối lượng phân bố lên trục trước
Trọng lượng của xe khi có tải trọng là 2170 kg = 21700 (N)
Do ô tô có động cơ đặt phía trước và qua thực tế thì 55% tải trọng đặt lên cầu trước, 45% tải trọng đặt lên cầu sau
Vậy trọng lượng đặt lên cầu trước là:
B t – chiều rộng vết trước B t = 1510 (mm)
B 0 – khoảng cách giữa hai trụ đứng cầu dẫn hướng B 0 = 1370
f – hệ số cản lăn ta xét trong trường hợp khi ôtô chạy trên đường xấu như đường đất, đá sỏi (f = 0,04)
Vậy: M 1 5967.0,04.0,07 16,7(Nm) b Mômen c ản M 2 do ma sát gi ữa bánh xe v à m ặt đường
Khi lực ngang Y tác động lên bánh xe, bề mặt tiếp xúc giữa lốp và đường sẽ bị lệch so với trục bánh xe 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, với x được xác định bằng nửa khoảng cách từ tâm diện tích tiếp xúc đến rìa ngoài của nó theo công thức: x = 0,14.rbx (3.5).
+ r – bán kính thiết kế của bánh xe
B – chiều rộng lốp B = 195 (mm) d - đường kính vành bánh xe d = 14 (inch)
+ r bx – bán kính làm việc trung bình của bánh xe r bx = .r chọn = 0.96 r bx = 0,96.r = 0,96.372,8 = 357,9 (mm)
Hình 3.5: Sơ đồ lực tác dụng lên bánh xe
Do đó mômen cản do bánh xe trượt lê là:
M 2 G bx x (3.7) Với là hệ số bám ngang Lấy = 0,85
Mômen cản M3, có giá trị tính toán phức tạp, được xác định bởi hệ số χ để đảm bảo sự ổn định cho hệ thống lái của bánh xe dẫn hướng thông qua các góc đặt bánh xe.
Mômen cản quay vòng tại 1 bánh xe dẫn hướng là: x
Như vậy mômen cản quay vòng tại cầu dẫn hướng được tính như sau:
M c = 2.( 16,7 + 254,15).1,15 = 622,95 (Nm) c Xác định lực cực đại tác dụng l ên vành tay lái
Khi ôtô đứng yên và thực hiện đánh lái, lực tác động lên vành lái để khắc phục lực cản quay vòng trên bánh xe dẫn hướng đạt mức tối đa Lực này có thể được tính toán bằng một công thức cụ thể.
M c – Mômen cản quay vòng M c = 622,95 (Nm)
R –Bán kính vô lăng R = 0,25 (m) i c – Tỷ số truyền cơ cấu lái i c
th – Hiệu suất thuận của cơ cấu lái, đối với cơ cấu lái trục răng
– thanh răng hiệu suất thuận th = 0,9 lấy i d = 1
Thiết kế cơ cấu lái
3.2.1 Xác định và phân phối tỷ số truyền của hệ thống lái.
Tỷ số truyền của hệ thống được xác định bằng tỷ lệ giữa góc quay của vành tay lái và góc quay tương ứng của cam quay hoặc bánh xe dẫn hướng Tỷ số truyền này cần đủ lớn để đảm bảo rằng một lực nhất định tác động vào vành tay lái có thể làm quay bánh xe dẫn hướng, ngay cả trong điều kiện khó khăn như quay vòng tại chỗ trên mặt đường nhựa khô với xe đầy tải.
Xe tham khảo là xe du lịch với trợ lực lái, có tỷ số truyền hệ thống lái i_l = 20 Để xác định tỷ số truyền của cơ cấu lái cần thiết kế, ta chọn i_d = 1, từ đó tính được i_c Công thức tính tỷ số truyền hệ thống lái là i_l = i_d * i_c = 1 * 20 = 20.
3.2.2 Thiết kế cơ cấu lái
Mô men xoắn trên thanh răng băng mô men cản(M t.răng = M c = T t.rang )
Hiệu suất của cơ cấu trục vít-thanh răng là 0 , 9
Mô men xoắn trên trục vít:
Khi chọn vật liệu cho truyền động trục vít, cần chú ý đến vận tốc trượt lớn và điều kiện bôi trơn không thuận lợi, do đó cặp vật liệu cho trục vít và thanh răng cần có hệ số ma sát thấp, bền mòn và giảm nguy cơ dính Hơn nữa, do tỷ số truyền lớn, tần số chịu tải của trục vít cao hơn nhiều so với thanh răng, vì vậy vật liệu cho trục vít cần có cơ tính cao hơn thanh răng.
-vật liệu làm thanh răng: thép 40XH được tôi cải thiện
Vật liệu sử dụng để chế tạo trục vít là thép 45, được tôi bề mặt với độ cứng HRC lớn hơn 45 Để đảm bảo hiệu suất tối ưu, cần xác định kích thước và thông số của thanh răng, trong đó đường kính của thanh răng được cắt tại mặt cắt có nguy cơ cao nhất.
x :ứng suất xoắn cho phép = (50 – 80) KG/mm 2
M x :Momen xoắn gây nên sự nguy hiểm ở thanh răng chính bằng mô men cản quay vòng của bánh xe: M x =M c b2,95(Nm)
Thay các thông số vào công thức(2.12) ta được:
Chiều dài làm việc của thanh răng: L 2(mm)
Mô đun thanh răng chọn trong dãy 1 : m=2,5
Chiều cao của răng thanh răng: h=2,5.m =2,5.2,5 =6,25(mm)
Số răng cần thiết trên thanh răng để khi quay vòng:
Chọn số răng trên thanh răng: Z ct = 26(răng)
Khoảng cách giữa 2 răng liên tiếp của thanh răng:
Góc nghiêng của răng (hợp với phương ngang)
Góc nghiêng thường chọn bằng 820 chọn = 17 0 b Tính toán các thông số cơ bản của bộ truyền trục vít:
Mô đun của trục vít chọn theo tiêu chuẩn: m =2,5
Hệ số đường kính trục được chọn theo bảng 7.3 trong tài liệu “tính toán thiết kế hệ thống dẫn động cơ khí Trịnh Chất – Lê Văn Uyển” với giá trị q = 8 Đường kính vòng chia được tính bằng công thức dt.v = q.m = 8.2,5 (mm) Đường kính vòng đỉnh là da = m.(q+2) = 2,5.(8+2) (mm) Đường kính vòng đáy được xác định là df = m.(q-2,4) = 2,5.(8-2,4) (mm) Cuối cùng, khoảng cách trục được tính bằng aw = (dtv + dtr)/2 = (25 + 20)/2 = 22,5 (mm).
3.2.3 Tính bền cơ cấu trục vít- thanh răng
Trong quá trình hoạt động, thanh răng phải chịu ứng suất uốn và tải trọng va đập từ mặt đường, dẫn đến hiện tượng rạn nứt chân răng Hiện tượng này ảnh hưởng lớn đến độ tin cậy và tuổi thọ của cơ cấu lái Để đảm bảo yêu cầu làm việc của cơ cấu lái, vật liệu chế tạo thanh răng được sử dụng là thép.
XH được tôi cải thiện
ch 600 N / mm 2 ; b 850 N / mm 2 ; HB 230 300 a Ứng suắt tiếp xúc cho phép
Giới hạn bền mỏi tiếp xúc của bộ truyền trục vít- thanh răng:
H 2 , 8 ch 2 , 8 6001680 ( N / mm 2 ) Ứng suất tiếp xúc cho phép của bộ truyền trục vít- thanh răng:
+ S H : là hệ số an toàn; lấy S H =1,1
+ Z R :Hệ số xét đến ảnh hưởng của độ nhám; Z R =0,95
+ Z V :Hệ số xét ảnh hưởng của vận tốc vòng; Z V =1
+ K XH :Hệ số xét ảnh hưởng của kích thước trục vít; K XH =1
+ K HL :Hệ số tuổi thọ ; K HL =1
Thay các thông số vào công thức (3.12) ta được:
b Ứng suất uốn cho phép:
Giới hạn bền mỏi của bộ truyền trục vít- thanh:
F max 0,8. Ch = 480 Ứng suất uốn của bộ truyền trục vít- thanh răng:
+ S F : Hệ số an toàn; lấy S F =1,75
+ Y S =là hệ số kể đến tới ảnh hưởng của mô đun với m =2,5 ta chọn Y S =1,03
(N/mm 2 ) c Kiểm nghiệm độ bền bộ truyền trục vít- thanh răng
Kiểm nghiệm thanh răng về độ bền tiếp xúc:
+ Z M : là hệ số kể đến cơ tính của vật liệu Vật liệu cơ cấu đều là thép nên chọn ZM '4
+: Góc profin gốc Theo TCVN1056-71 thì 0
ZH: Hệ số kể đến hình dáng bề mặt tiếp xúc:
+ Z: Hệ số kể đến sự trùng khớp: 0,77
+ : Là hệ số trùng khớp ngang, được tính theo công thức sau:
K HV : Hệ số tải trọng động Với cấp chính xác 9 ta chọn theo bảng 3.17 “TKMHCTM” K HV =1,01
K H : Hệ số kể đến sự phân bố không đều của tải trọng của cặp bánh răng ăn khớp Tra bảng 3.15 K H =1,13
K H : Hệ số kể đến sự phân bố không đều của tải trọng trên chiều rộng của bánh răng.Tra bảng 3.7 KH=1,02
+ Chiều rộng vành răng:bw (mm) bw = ba.aw = 0,5.22,5 = 11,25 Chọn ba = 0,5
+ Đường kính vòng lăn: bd w w d b
Thay các thông số vào công thức (3.13) ta có:
H H , thoả mãn điều kiện tiếp xúc d Kiểm nghiệm thanh răng về độ bền uốn: m d b
+ Y F : Hệ số dạng răng Với hệ số dạng răng dịch chỉnh =0,5 và số răng tương đương: 29,7
K H : Hệ số kể đến sự phân bố không đều tải trọng trên chiều rộng răng.Tra bảng 3.7 ta được K H =1,04
K F : Hệ số kể đến sự phân bố tải trọng cho các đôi răng đồng thời ăn khớp Tra bảng 3.15 ta được K F = 1,37
K FV : Hệ số kể đến tải trọng động khi tính về uốn.
Hệ số ảnh hưởng của sai số ăn khớp được xác định là F = 0,006 Hệ số ảnh hưởng của sai lệch bước răng được tra cứu từ bảng 3.17b, với vận tốc dài của răng được coi là v = 1 (m/s).
Thay số vào biểu thức ta được 1,06
+ Y : Hệ số kể đến độ nghiêng của răng
Thay các thông số vào biểu thức (3.14) ta được:
F F, thoả mãn cề điều kiện uốn
Vậy điều kiện bền được thoả mãn Vậy bộ truyền trục vít- thanh răng đảm bảo đủ bền trong quá trình làm việc.
Thiết kế kết cấu và kiểm tra dẫn động lái
Trục lái là bộ phận quan trọng giúp truyền chuyển động từ vô lăng đến cơ cấu lái, đồng thời giảm thiểu va đập từ mặt đường lên vành tay lái Để đạt được điều này, trục lái thường được kết nối với cơ cấu lái thông qua khớp nối mềm hoặc khớp các đăng.
Trục lái chủ yếu chịu ứng suất xoắn, vì vậy thường được chế tạo từ ống thép rỗng Vật liệu chính để sản xuất trục lái là thép 45, với ứng suất cho phép về xoắn đạt 600 KG/cm².
Chọn đường kính ngoài trục lái là :D n = 20 =2 cm (mm) Đường kính trong trục lái là : d t = 0,7D n = 14= 1,4 (mm)
- Kiểm tra bền theo điều kiện chịu xoắn của trục lái:
=> τ= 56,9(kG/cm 2 )