TỔNG QUAN VỀ TIỂU LUẬN
Đặt vấn đề
Hệ thống trợ lực lái hiện nay đã trở thành tính năng phổ biến trên hầu hết các dòng xe, giúp người lái dễ dàng điều khiển vô lăng Để hiểu rõ hơn về hệ thống này, chúng ta cần tìm hiểu về lịch sử hình thành, mục đích sử dụng và cách thức hỗ trợ người lái Đầu tiên, để lý giải sự ra đời của trợ lực tay lái, ta cần nắm rõ chức năng cơ bản của hệ thống lái, trong đó bao gồm việc điều khiển bánh xe dẫn hướng một cách chính xác.
Duy trì lực lái phù hợp.
Truyền được cảm giác từ mặt đường đến người lái.
Hấp thụ phần lớn lực tác động lên vô lăng. Đảm bảo hoạt động cảu hệ thống treo.
Để giảm lực lái trong thiết kế cơ khí, các kỹ sư có thể tăng tỷ số truyền, tuy nhiên điều này yêu cầu tài xế phải điều khiển tay lái nhiều hơn, dẫn đến khả năng phản ứng chậm và tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn trong các tình huống khẩn cấp.
Cần thiết phải có một hệ thống trợ lực trung gian để đảm bảo đồng thời hai yêu cầu quan trọng: lực tay lái vừa phải và khả năng điều khiển chính xác.
Đối tượng và phạm vi tiểu luận
Đối tượng và phạm vi đối tượng là các bạn sinh viên và những người thích tìm hiểu về ô tô.
Mục tiêu của tiểu luận
Giúp người đọc hiểu rỏ về cấu tạo cũng như nguyên lí hoạt động của hệ thống lái, trợ lực lái và góc đặt bánh xe.
Phương pháp tìm hiểu
Tìm hiểu bằng tài liệu tham khảo, qua mạng internet, sách báo, hỏi giáo viên. Ý nghĩa khoa học của tiểu luận và thực tiễn.
Bài viết giúp người đọc nắm rõ tên gọi và nguyên lý hoạt động của các chi tiết, hệ thống, từ đó áp dụng hiệu quả vào thực hành và công việc trong tương lai.
HỆ THỐNG LÁI TRÊN Ô TÔ
Khái quát chung
Hệ thống lái giúp người lái điều khiển hướng xe thông qua việc xoay các bánh xe dẫn hướng, và bao gồm nhiều bộ phận quan trọng.
Hình 2: Hệ thống lái trên oto
Công dụng
Hệ lái của ôtô dùng thay đổi hướng chuyển động hoặc giữ cho ôtô chuyển động theo một hướng nhất định.
Phân loại
2.3.1.Theo bố trí vành lái:
2.3.1.1Vành lái bố trí bên phải
Hình 3: Vành lái bên phải
2.3.1.2Vành lái bố trí bên trái
Hình 4: Vành lái bên trái
Vành lái bố trí bên phía trái hay phải tuỳ theo luật đường bộ của từng quốc gia qui định.
2.3.2Theo số lượng bánh dẫn hướng:
2.3.2.1Hệ thống lái với các bánh dẫn hướng ở cầu trước
Hình 5: xe dẫn hướng cầu trước
2.3.2.2.Hệ thống lái với các bánh dẫn hướng ở cầu sau
Hình 6: xe dẫn hướng cầu sau
2.3.2.3.Hệ thống lái với các bánh dẫn hướng ở hai cầu (4WS).
2.3.3Theo kết cấu của cơ cấu lái :
2.3.3.1.Cơ cấu lái loại trục vít - cung răng:
Cung răng có thể chia thành hai loại: cung răng thường và cung răng hai bên Cung răng hai bên mang lại lợi ích nổi bật nhờ tiếp xúc toàn bộ chiều dài răng, giúp giảm ứng suất tiếp xúc và hạn chế hao mòn Vì vậy, loại cung răng này rất phù hợp cho ô tô tải lớn và xe SUV.
Khi người điều khiển xoay vô lăng, trục lái xoay sẽ tác động lên trục vít, làm cho cung răng quay Quá trình này tạo ra đòn quay đứng di chuyển quanh trục cung lăn, dẫn động các bánh xe hướng theo yêu cầu của người điều khiển.
Hình 7: cơ cấu lái trục vít –cung răng
Chiếc êcu kết hợp với khối kim loại thông qua các viên bi tròn, giúp giảm ma sát giữa các chi tiết và giảm độ rơ của cơ cấu Độ rơ này xuất hiện khi đổi chiều tay lái; nếu không có các viên bi, các răng sẽ tách rời trong chốc lát, gây ra tình trạng dơ của tay lái.
Hệ thống trợ lực của cơ cấu lái này tương tự như cơ cấu lái bánh răng – thanh răng, với việc hỗ trợ thông qua dòng chất lỏng áp suất cao được đưa vào một bên của khối kim loại.
2.3.3.2Cơ cấu lái trục vít-con lăn:
Cơ cấu trục vít con lăn bao gồm các thành phần như trục vít lõm, con lăn, trục lái, trục con lăn, trục bị động và vỏ cơ cáu lái Ưu điểm nổi bật của hệ thống này là kết cấu gọn gàng, độ bền cao và khả năng chống mòn tốt của các trục vít và con lăn Ngoài ra, với dạng glopoit, chiều dài trục vít được tối ưu hóa, giúp gia tăng thời gian tiếp xúc giữa các bánh răng ăn khớp, từ đó nâng cao hiệu suất hoạt động.
Tải trọng tác dụng lên chi tiết được phân tán, tùy thuộc vào kích thước ô tô có từ 2 đến 4 vòng ren của con lăn, giúp giảm mài mòn tại một điểm và tăng cường độ bền Trong cơ cấu này, ma sát trượt được thay thế bằng ma sát lăn, mang lại hiệu quả cao hơn Ngoài ra, khe hở ăn khớp có thể được điều chỉnh để tối ưu hóa hiệu suất.
Khi người điều khiển xoay vô lăng, trục lái sẽ xoay, khiến trục vít quay và tác động lên con răng Điều này làm cho đòn quay đứng di chuyển qua lại quanh trục của con lăn, từ đó dẫn động các bánh xe theo hướng mà người điều khiển mong muốn.
Hình 8:Cơ cấu lái trục vít-con lăn:
Thường sử dụng trên các xe tải.
2.3.3.3Cơ cấu lái trục vít-chốt quay: Ưu điểm cơ bản là có thể có tỷ số truyền thay đổi.Dùng chủ yếu ôt tải và oto khách.
Khi người điều khiển xoay vành lái qua lại, trục lái xoay làm cho trục vít xoay tác động lên con
2.3.3.4Cơ cấu lái trục vít –thanh răng: Đặc điểm:
Cấu tạo đơn giản,gọn nhẹ.Do hộp truyền động nhỏ nên thanh răng đóng vai trò thanh dẫn
Hình 9:Cơ cấu lái trục vít cung lăn
Các răng ăn khớp trực tiếp giúp tăng độ nhạy của cơ cấu lái, giảm thiểu quay trượt và sức cản quay Điều này mang lại khả năng truyền mô-men tốt hơn, khiến việc lái xe trở nên nhẹ nhàng Hơn nữa, cụm cơ cấu lái hoàn toàn kín, do đó không cần bảo dưỡng thường xuyên.
Trục vít ở đầu thấp hơn của trục lái chính kết nối với thanh răng Khi vô lăng quay, trục vít cũng quay, khiến thanh răng di chuyển sang trái hoặc phải, từ đó điều khiển các bánh xe quay theo yêu cầu của người lái.
Sử dụng phổ biến trên các oto du lịch ,xe tải nhỏ,xe SUV.
Hình 10:Cơ cấu lái trục vít thanh răng
Dẫn động lái gồm tất cả các chi tiết truyền lực từ cơ cấu lái đến ngỗng quay của bánh xe.
Có nhiều loại thanh dẫn động lái và kết cấu khớp nối được thiết kế để thực hiện yêu cầu này.
Hình thang lái là bộ phận quan trọng trong hệ thống dẫn động lái, có chức năng đảm bảo động học của bánh dẫn hướng, giúp bánh xe không bị trượt khi lái, từ đó giảm thiểu sự hao mòn của lốp.
Hình 11:Sơ đồ các loại dẫn động lái
Theo kết cấu bộ trợ lực:
Trợ lực bằng thủy lực.
Trợ lực bằng khí nén.
Hệ thống lái trợ lực thủy lực
Để cải thiện khả năng lái xe và độ bám đường, hầu hết ô tô hiện đại đều sử dụng lốp rộng và áp suất thấp, giúp tăng diện tích tiếp xúc với mặt đường Tuy nhiên, điều này yêu cầu lực đánh lái nặng hơn Để giảm lực đánh lái, cần tăng tỉ số truyền, nhưng điều này sẽ làm tăng số vòng đánh lái, khiến việc đánh lái không linh hoạt Do đó, để có thể đánh lái nhẹ nhàng và linh hoạt hơn, cần trang bị thiết bị trợ lực.
Giảm lực tác dụng từ tay người lái đến vành lái làm giảm cảm giác mệt mỏi cho tài xế. Lái nhẹ và tiện lợi.
Giữ được chuyển động thẳng ổn định của ô tô.
2.4.2.Cấu tạo của hệ thống lái có trợ lực thủy lực gồm:
5 Xy lanh trợ lực lái.
Công dụng: Hút dầu từ bình chứa sao đó đẩy vào hệ thống tạo áp lực dầu để hoạt động hệ thống ( đẩy piston dịch chuyển).
Van điều tiết lưu lượng.
Van điều tiết lưu lượng là thiết bị quan trọng giúp điều chỉnh dòng chảy dầu từ bơm đến hộp cơ cấu lái Chức năng chính của van này là duy trì lưu lượng dầu ổn định, bất kể tốc độ hoạt động của bơm Điều này đảm bảo hiệu suất tối ưu cho hệ thống lái, góp phần nâng cao độ chính xác và an toàn khi điều khiển phương tiện.
Hình 12: cấu tạo hệ thống lái thủy lực
2.4.4.Hoạt động của van điều tiết lưu lượng: Ở chế độ thấp: Áp suất xả P1 của bơm tác động lên phía phải của van điều khiển lưu lượng và P2 tác động lên phía trái sau khi đi qua các các lỗ Chênh lệch áp suất giữa P1 và P2 lớn hơn khi tốc độ động cơ tăng Khi sự chênh lệch áp suất giữa P1 và P2 thắng sức căng của lò xo van điều khiển lưu lượng thì van này sẽ dịch chuyển sang trái, mở đường chảy sang phía cửa hút vì vậy dầu chảy về phía cửa hút Lượng dầu tới hộp cơ cấu lái được duy trì không đổi theo cách này. Ở chế độ trung bình: Áp suất xả của bơm P1 tác đông lên phía trái của ống điều khiển Khi tốc độ bơm trên 1250 v/ph, áp suất P1 thắng sức căng lò xo (B) và đẩy ống điều khiển sang phải do đó lượng dầu qua các lỗ giảm gây ra việc giảm áp suất P2.Kết quả là chênh lệch áp suất giữa P1 và P2 tăng Theo đó van điều khiển lưu lượng dịch chuyến sang trái và đưa dầu về phía cửa hút giảm lượng dầu
Hình 13: cấu tạo bơm trợ lực lái
Hình 14 minh họa van điều tiết lưu lượng hoạt động ở chế độ thấp vào hộp cơ cấu lái, cho thấy rằng khi ống điều khiển chuyển sang phải, lượng dầu qua các lỗ sẽ giảm Ở tốc độ cao, việc điều chỉnh này đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát lưu lượng dầu, đảm bảo hiệu suất hoạt động của hệ thống lái.
Khi tốc độ bơm vượt 2500 v/ph, ống điều khiển sẽ bị đẩy sang phải, dẫn đến việc đóng một nửa các lỗ tiết lưu Lúc này, áp suất P2 chỉ phụ thuộc vào lượng dầu qua các lỗ, giúp duy trì lượng dầu tới hộp cơ cấu lái ở mức ổn định và nhỏ.
Van an toàn được lắp đặt trong hệ thống van điều khiển lưu lượng, có chức năng mở ra để giảm áp suất khi áp suất P2 vượt quá mức quy định Khi áp suất P2 giảm, van điều khiển lưu lượng sẽ tự động dịch chuyển sang trái để điều chỉnh áp suất tối đa.
Cấu tạo của hệ thống lái có trợ lực thủy lực:
Cấu tạo hộp cơ cấu lái:
Hình 16: NLHD van điều tiết lưu lượng ở chế độ cao
Hộp cơ cấu lái hoạt động thông qua trục van điều khiển nối với vô lăng Khi vô lăng ở vị trí trung hòa, cụm van điều khiển cũng ở vị trí trung hòa Khi vô lăng quay theo hướng nào, van điều khiển sẽ thay đổi đường truyền, cho phép áp lực dầu vào một trong các buồng của xylanh, trong khi dầu ở buồng còn lại được đẩy ra ngoài bình chứa qua van điều khiển.
2.4.6 Nguyên lý hoạt động của hệ thống lái có trợ lực thủy lực:
Khi vô lăng ở vị trí trung hòa, hai bánh xe sẽ hướng thẳng về phía trước Lúc này, cụm van điều khiển sẽ mở, cho phép áp lực dầu vào hai bên xy lanh bằng nhau, giúp giữ piston ở vị trí chính giữa.
Hình 17: cấu tạo của hộp cơ cấu lái
Hình 18: NLHD của hệ thống lái có trợ lực thủy lực
Khi xoay vô lăng sang trái, trục van điều khiển xoay mở các lỗ dầu, cho phép dầu chảy vào xylanh bên trái Áp lực dầu đẩy piston sang phải, trong khi dầu trợ lực từ xylanh bên phải qua cụm van trở về bình chứa, làm thanh răng dịch chuyển sang phải.
Khi xoay vô lăng sang phải, trục van điều khiển xoay sẽ mở các lỗ dầu, cho phép dầu chảy đến xylanh bên phải Áp lực dầu từ xylanh bên phải đẩy piston sang trái, trong khi dầu trợ lực từ xylanh bên trái trở về bình chứa qua cụm van Kết quả là thanh răng dịch chuyển sang trái.
Góc đặt bánh xe
Nhiều xe có bánh xe hơi nghiêng so với mặt đường, điều này liên quan đến yêu cầu tối thiểu về tính năng vận hành ổn định khi di chuyển theo đường thẳng và khả năng phục hồi khi vào cua.
Các bánh xe được lắp đặt với các góc độ nhất định so với mặt đất và được kết hợp với các hệ thống treo riêng biệt Những góc độ này được gọi là góc đặt bánh xe.
Hình 19:NLHD của hệ thống lái có trợ lực thủy lực
Hình 20: Các góc đặt bánh xe
Góc đặt bánh xe gồm có 5 yếu tố sau đây:
Nếu xe của bạn không đạt yêu cầu về các yếu tố kỹ thuật, bạn có thể gặp phải những vấn đề như khó điều khiển, tình trạng lái không ổn định, khả năng trả lái kém khi vào cua, và lốp xe mòn không đều.
Mô tả: Góc Camber là góc mà các bánh xe trước được lắp với phía trên nghiêng vào trong hoặc ra ngoài.
Camber được xác định bằng góc nghiêng của bánh xe so với phương thẳng đứng Khi phần trên của bánh xe nghiêng ra ngoài, được gọi là camber dương Ngược lại, nếu bánh xe nghiêng vào trong, thì được gọi là camber âm, khi nhìn từ phía trước đầu xe.
Trước đây, các kiểu xe thường thiết kế bánh xe với camber dương nhằm tăng cường độ bền cho trục trước, ngăn chặn hiện tượng tuột bánh xe khỏi trục, và đảm bảo lốp xe tiếp xúc vuông góc với mặt đường.
Lốp xe có thể bị mòn không đều do sự chênh lệch độ cao giữa phần tâm và rìa đường Nếu xe có góc camber âm hoặc dương quá lớn, tình trạng mòn không đều sẽ xảy ra Cụ thể, góc camber âm quá lớn sẽ dẫn đến mòn nhanh ở phần trong của lốp, trong khi góc camber dương quá lớn sẽ làm mòn nhanh phần ngoài của lốp.
Trong các mẫu xe hiện đại, hệ thống treo và trục đã được nâng cấp với độ bền cao hơn, cùng với bề mặt đường phẳng giúp giảm nhu cầu camber dương cho bánh xe Do đó, góc camber đã được điều chỉnh xuống mức thấp, thậm chí một số xe có góc camber bằng không.
Bánh xe có camber âm đang được sử dụng rộng rãi trên các dòng xe du lịch để cải thiện khả năng chạy trên đường vòng Khi xe di chuyển qua khúc cua, lực ly tâm khiến xe nghiêng ra ngoài, dẫn đến việc camber của lốp xe trở nên dương hơn và làm giảm lực đẩy ngang vào trong xe Nếu không có góc camber âm, bánh xe sẽ bị nghiêng dương khi vào cua, làm giảm lực quay vòng và ảnh hưởng đến hiệu suất lái xe.
Hình 23: Khi xe quay vòng
Mô tả: Góc caster là góc nghiêng về phía trước hoạc phía sau của trục xoay đứng.
Góc caster được xác định bởi góc nghiêng giữa trục xoay đứng và đường thẳng đứng; nếu trục xoay nghiêng về phía sau, đó là góc caster dương, ngược lại, nếu trục nghiêng về phía trước, đó là góc caster âm, nhìn từ cạnh xe.
Khoảng caster của trục quay đứng là khoảng cách từ giao điểm giữa đường tâm trục xoay đứng và mặt đường đến tâm tiếp xúc giữa lốp xe với mặt đất.
Góc caster ảnh hưởng đến độ ổn định của xe khi di chuyển trên đường thẳng, trong khi khoảng caster quyết định tính năng hồi vị của bánh xe khi vào đường vòng Khi trục xoay đứng quay, các bánh xe có góc caster sẽ khiến lốp nghiêng so với mặt đường, tạo ra mômen kích giúp nâng thân xe lên Mômen kích này đóng vai trò như một lực hồi vị, giúp đưa thân xe trở về vị trí nằm ngang và duy trì độ ổn định khi xe di chuyển thẳng.
Khi bánh xe có góc caster, giao điểm giữa trục xoay đứng và mặt đường sẽ nằm phía trước điểm tiếp xúc của lốp xe với mặt đường Lực kéo từ lốp xe được kéo về phía trước giúp ổn định bánh xe, ngăn chặn các lực có thể làm mất ổn định Khi bánh xe chuyển hướng, các lực bên F2 và F’2 sẽ xuất hiện, ảnh hưởng đến sự điều khiển của xe.
Hình 25: độ ổn định chạy trên đường thẳng nhờ góc caster
Các lực tác động bên ngoài làm quay trục xoay đứng và tạo ra lực hồi vị T và T’ giúp bánh xe trở về vị trí ban đầu Khi lực bên tác động không đổi, khoảng cách caster lớn sẽ dẫn đến lực hồi vị mạnh hơn Do đó, khoảng caster càng lớn, độ ổn định khi di chuyển trên đường thẳng và lực hồi vị càng cao.
Để phù hợp với đặc tính của từng loại xe, có hai phương pháp chính để điều chỉnh khoảng caster mà không làm thay đổi góc caster: Nachlauf (tăng khoảng caster) và Vorlauf (giảm khoảng caster) Hai phương pháp này thực hiện bằng cách điều chỉnh vị trí của trục xoay đứng về phía trước hoặc phía sau tâm bánh xe.
Góc lệch giữa trục xoay đứng và đường thẳng đứng được gọi là Kingpin hay góc nghiêng của trục lái Trục xoay đứng là trục cho phép bánh xe xoay sang trái hoặc phải.
NHỮNG CẢI TIẾN CỦA HỆ THỐNG LÁI TRỢ LỰC THỦY LỰC TRONG TƯƠNG LAI
THỦY LỰC TRONG TƯƠNG LAI
Chúng ta đang sống trong thời đại công nghệ phát triển nhanh chóng, đặc biệt là trong ngành ô tô với sự xuất hiện của tay lái trợ lực điện (EPS) thay thế tay lái trợ lực thủy lực đã tồn tại hơn 50 năm Hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển bằng điện tử (EHPA) là phiên bản cải tiến từ thập kỷ 90, bao gồm cơ cấu lái và dẫn động lái Điểm nổi bật của hệ thống này là thanh xoắn cảm biến mô men đánh lái, không trực tiếp điều khiển van trợ lực, mà chuyển đổi độ biến dạng thành tín hiệu điện gửi đến hộp MCU để điều khiển trợ lực, từ đó tính toán và xác định tỷ lệ trợ lực cần thiết.
