TKMH KCTT hiện tính toán hệ thống lái

1.1. Công dụng, phân loại, yêu cầu của hệ thống lái tên ô tô 1.1.1. Công dụng Hệ thống lái giữ vai trò điều khiển hướng chuyển động của ô tô (thay đổi hay duy trì) theo tác động của người lái. Hệ thống lái tham gia cùng với các hệ thống điều khiển khác thực hiện điều khiển ô tô và đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn giao thông khi ô tô chuyển động. Hệ thống lái bao gồm các cụm và chi tiết từ cơ cấu điều khiển (vành lái) tới các cơ cấu điều khiển hướng chuyển động toàn xe. 1.1.2. Phân loại 1.1.2.1. Theo cách bố trí vành tay lái. Hệ thống lái với vành lái bố trí bên trái (khi chiều thuận đi đường là chiều phải). Hệ thống lái với vành lái bố trí bên phải (khi chiều thuận đi đường là chiều trái).

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

KHOA CƠ KHÍ

BỘ MÔN CƠ KHÍ Ô TÔ -    -

THIẾT KẾ MÔN HỌC

KẾT CẤU TÍNH TOÁN Ô TÔ

NỘI DUNG: THIẾT KẾ HỆ THỐNG LÁI Ô TÔSinh viên: Lê Ngọc Hiện

Mục lục

MỞ ĐẦU

Thiết kế môn học(TKMH) là một điều kiện cần để các sinh viên có thể hiểu rõ

năng, tìm hiểu thực tế và trau rồi thêm những kĩ năng cần thiết trước khi chính thức

“Thiết kế hệ thống lái ô tô con”

Sinh viên thực hiện

LÊ NGỌC HIỆN

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Công dụng, phân loại, yêu cầu của hệ thống lái

tên ô tô

1.1.1 Công dụng

Hệ thống lái giữ vai trò điều khiển hướng chuyển động của ô tô (thay đổi hayduy trì) theo tác động của người lái Hệ thống lái tham gia cùng với các hệ thốngđiều khiển khác thực hiện điều khiển ô tô và đóng vai trò quan trọng trong việcđảm bảo an toàn giao thông khi ô tô chuyển động Hệ thống lái bao gồm các cụm

và chi tiết từ cơ cấu điều khiển (vành lái) tới các cơ cấu điều khiển hướng chuyểnđộng toàn xe.

1.1.2 Phân loại

1.1.2.1 Theo cách bố trí vành tay lái

- Hệ thống lái với vành lái bố trí bên trái (khi chiều thuận đi đường là chiềuphải)

- Hệ thống lái với vành lái bố trí bên phải (khi chiều thuận đi đường là chiềutrái)

1.1.2.2 Theo kết cấu của cơ cấu lái

- Cơ cấu lái trục vít con lăn

Hình 1.1 : Cơ cấu lái trục vít con lăn

Loại cơ cấu lái này hiện nay được sử dụng rộng rãi nhất Trên phần lớncác ôtô Liên Xô loại có tải trọng bé và tải trọng trung bình đều đặt loại cơcấu này

Cơ cấu lái gồm trục vít gơbôlôit 1 ăn khớp với con lăn 2 (có ba ren) đặttrên các ổ bi kim của trục 3 của đòn quay đứng Số lượng ren của loại cơ cấulái trục vít con lăn có thể là một, hai hoặc ba tuỳ theo lực truyền qua cơ cấulái

Nhờ trục vít có dạng gơbôlôit cho nên tuy chiều dài trục vít không lớn nhưng

sự tiếp xúc các răng ăn khớp được lâu hơn và trên diện rộng hơn, nghĩa là giảmđược áp suất riêng và tăng độ chống mài mòn

Tải trọng tác dụng lên chi tiết tiếp xúc được phân tán tùy theo cỡ ô tô mà làmcon lăn có hai đến bốn vòng ren

Mất mát do ma sát ít hơn nhờ thay được ma sát trượt bằng ma sát lăn

Có khả năng điều chỉnh khe hở ăn khớp giữa các bánh răng Đường trục củacon lăn nằm lệch với đường trục của trục vít một đoạn Δ= 5 ÷ 7mm, điều này chophép triệt tiêu sự ăn mòn khi ăn khớp bằng cách điều chỉnh trong quá trình sửdụng

- Cơ cấu lái kiểu trục vít- ê cu- bi, thanh răng- cung răng

Hình 1.2 Cơ cấu lái trục vít – ê cu bi, thanh răng – cung răng

Nguyên lý làm việc: Khi trục vít quay (phần chủ động), ê cu- bi chạy dọc trục vít,chuyển động này làm quay răng rẻ quạt Trục của bánh răng rẻ quạt là trục đònquay đứng Khi bánh răng rẻ quạt quay làm cho đòn quay đứng quay, qua các đòndẫn động làm quay bánh xe dẫn hướng

Ưu điểm:

Ma sát giữa trục vít và ê cu là ma sát lăn thông qua các viên bi, bởi vậy màhiệu suất truyền lực cao, giảm được sự mòn trong cơ cấu lái.

Tỉ số truyền của cơ cấu lái có thể thay đổi nếu bán kính vòng chia của cungrăng và bước răng thay đổi

Hiệu suất thuận và nghịch gần bằng nhau và đạt η=0,85÷0,70 có khả năng điềuchỉnh khe hở giữa thanh răng và bánh răng rẻ quạt

- Cơ cấu lái kiểu bánh răng - thanh răng

Hình 1.3 Cơ cấu lái bánh răng– thanh răng

Nguyên lý làm việc: Vành lái nhận lực từ người lái tạo ra momen quay, momen truyền qua trụ lái đến cơ cấu lái bánh răng thanh răng Cơ cấu lái tác động lên

Cơ cấu lái đơn giản gọn nhẹ Do cơ cấu lái nhỏ và bản thân thanh răng tácdụng như thanh dẫn động lái nên không cần các đòn kéo ngang như các cơ cấu láikhác.

Có độ nhạy cao vì ăn khớp giữa các răng là trực tiếp Sức cản trượt, cản lănnhỏ và truyền mô men rất tốt nên tay lái nhẹ

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

Nhược điểm

Kích thước chiều dài cơ cấu lớn, thanh răng chế tạo từ thép chất lượng cao,kích thước nhỏ, tuy vậy dễ bị cong trong quá trình sử dụng

1.1.2.3 Theo số bánh dẫn hướng

Hệ thống lái với các bánh xe dẫn hướng cầu trước

Hình 1.4 Cầu trước dẫn hướng

Hình 1.5 Cầu sau dẫn hướng

Hệ thống lái với các bánh xe dẫn hướng ở hai cầu

Hình 1.6 Hai cầu dẫn hướng

Hình 1.7 Nhiều cầu dẫn hướng

1.1.2.4 Theo nguyên lý làm việc của bộ phận trợ lực láiLoại trợ lực lái thủy lực

Loại trợ lực lái loại khí

Loại trợ lực lái cơ khí

Loại trợ lực lái dùng điện

1.1.2.5 Theo kết cấu của bộ phận thủy lực

Hệ thống lái với bộ phận chịu lực kiểu van xoay

Hệ thống lái với bộ phận chịu lực kiểu van trượt

- Đảm bảo quan hệ tuyến tính giữa góc quay vành tay lái và góc quay vòngcủa các bánh xe dẫn hướng.

- Cơ cấu lái phải được đặt ở phần được treo để kết cấu hệ thống treo trướckhông ảnh hưởng đến tính động học của cơ cấu lái

- Hệ thống lái phải được bố trí sao cho thuận tiện cho quá trình bảo dưỡng,sữa chữa

- Không đòi hỏi người lái xe một cường độ lao động quá lớn khi điều khiển ôtô

- Đặt cơ cấu lái lên phần được treo của ô tô, cấu tạo đơn giản điều khiển nhẹ nhàng và thuận lợi

1.2 Kết cấu của hệ thống lái trên ô tô và nguyên lý

Hệ thống có nhiều loại khác nhau nhưng hầu hết có các bộ phận như hìnhvẽ:

- Trục lái có nhiệm vụ truyền momen điều khiển từ vành lái đến cơ cấu lái

- Trên vành lái và trục lái thường bố trí các thiết bị điều khiển như: túi khí, còi, cáccông tắc điện điều khiển đèn, gạt nước mưa

1.2.2 Cơ cấu trục vít Ê – cu – bi, thanh răng – cung răng:

Gồm một trục vít, hai đầu trục vít được đỡ bằng ổ bi đỡ chặn Trục vít vàecu có rãnh tròn chứa các viên bi, các viên bị lăn trong rãnh và truyền lực Khiđến cuối rãnh thì các viên bị theo đường hồi bị quay trở lại vị trí ban đầu Trong

cơ cấu lái này ma sát trượt được thay thế bằng ma sát lăn (giữa ecu-bi và trụcvít)

Khi trục vít quay, ecu – bi chạy dọc trục vít, chuyển động này làm quayrăng rẻ quạt Trục bánh răng rẻ quạy là trục đòn quay đứng Khi bánh răng rẻquạt quay làm cho đòn quay đứng quay, qua các đòn dẫn động làm quay bánh

xe dẫn hướng

Hình 1.9: Cơ cấu lái trục vít ecu bi – thanh răng, cung răng

1 Vỏ cơ cấu lái

Đòn dẫn động:

- Đòn quay đứng: truyền môn men từ trụ đòn quay của cơ cấu lái tới

các đòn kéo dọc hoặc kéo nganh được nối với cam quay của bánh xe dẫn hướng

- Đòn kéo: truyền lực từ đòn quay của cơ cấu lái đến cam quay của

bánh xe dẫn hướng tùy theo phương đặt đòn mà người ta có thể gọi

là đòn kéo dọc hoặc đòn kéo ngang

- Hình thang lái thực chất là một hình tứ giác gồm 4 khâu: dầm cầu, thanh lái ngang và hai thanh bên Hình thang lái sẽ đảm bảo động họcquay vòng của các bánh xe dẫn hướng nhờ vào các kích thước của các thanh lái ngang cánh bản lề và các góc đặt

5 Bơm dầu cánh quạt

6 Van thông qua

7 Van an toàn

8 Gờ chắn

9 Đòn quay đứng

10.Cơ cấu lái

11.Van thông qua

• Nguồn năng lượng bơm dầu (5) là loại bơm cánh gạt tác dụng hai chiều dẫn độngbằng dây đai từ trục khủy động cơ Trên thân có đường ống dẫn dầu đi, van an toàn(7), van thông qua (6) thông với bình chứa dầu (3) khi tốc độ động cơ lớn, áp suấtquá cao.

• Van phân phối (2): phân phối dầu trợ lực theo từng chế độ làm việc

Trục trượt 1 của van phân phối (2) được nối với tay biên (9) bằng khớp cầu.Thân van phân phối (2) được lắp trực tiếp lên một đầu của đòng kéo dọc và từ thânvan có các đường dầu đến các khoang A, B của xylanh trợ lực (14)

• Cơ cấu sinh lực: là xylanh lực (14) được cố định trên khung xe, cần đẩy piston trợlực được bắt với đòn kéo ngang (15) khi piston dịch chuyển sẽ làm đòn kéo ngangdịch chuyển theo

- Nguyên lý làm việc:

+ Khi động cơ làm việc, tay lái ở vị trí thẳng, trục trượt đứng im Bơm dầu sẽcung cấp dầu qua van phân phối đến hai phía A, B của xylanh như nhau và từvan phân phối trở lại bình chứa (3) Van an toàn khống chế (điều chỉnh) áp suấtdầu tối đa trong hệ thống Vân thông qua 6 cho phép dầu lưu thông về bình chứakhi tốt độ của động cơ lớn

+ Khi quay vòng tay lái qua cơ cấu lái (10) sẽ làm tay biên lắc làm con trượt (1)dịch chuyển trong thân van phân phối Do dịch chuyển sẽ làm thay đổi các tiết diệnlưu thông từ bơm dầu và từ van phân phối về bình chứa Nếu giảm viết diện dầu từvan phân phối vè bình chứa đồng thời tăng tiết diện lưu thông dầu từ bơm tới sẽdẫn đến áp suất tăng ở một trong hai khoang A hoặc B của xylanh trợ lực Ởkhoang kia do giảm tiết diện dầu từ bơm đến và tăng tiết diện dầu thông từ van vềbình chứa về làm giảm áp suất Khi hiệu áp suất chất lỏng ở trong hai khoangxylanh (14) đạt giá trị trương ứng với momen cản quay vòng thì piston sẽ dịchchuyển Sự dịch chuyển của piston thông qua đòn kéo 15 và các đòn bên làm bánh

xe dẫn hướng quay vòng

+ Khi quay liên tục vành lái sẽ làm con trượt dịch chuyển trong vỏ van phânphối đảm bảo cho sự dịch chuyển liên tục của piston trong xylanh, đảm bảo sựquay vòng bánh xe dẫn hướng Khi dừng quay vành tay lái, con trượt cũng xe dừnglại, ở bất kì vị trí nào đều làm cho piston và các bánh xe dẫn hướng ngừng díchchuyển vào thời điểm vỏ van tiến kịp con trượt (tức là làm thay đổi tiết diện lỗ vàgiảm áp suất ở khoang công tác của xylanh) khi đó piston, vỏ van phân phối và cácbánh xe dẫn hướng sẽ ngừng dịch chuyển.

CHƯƠNG 2

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG LÁI TRỤC RĂNG THANH RĂNG, TRỢ LỰC THỦY LỰC, HỆ THỐNG

-TREO ĐỘC LẬP MCPHERSON

Các thông số cơ bản của xe: xe con

1.3 Tính toán và phân phối tỉ số truyền

1.3.1 Xác định góc quay lớn nhất của các bánh xe dẫn hướng

quanh trụ đứng

B

B B

Hình 3: Sơ đồ quay vòng của xe

Ta có công thức:

2 min

ar

m

ng

L ctg

Thay số vào ta được:

Góc quanh lớn nhất của các bánh xe dẫn hướng phía trong quanh trụ đứng được tính theo công thức :

Cotg βmax – Cotg αmax =

⇒βmax =arccotg ( cotg αmax + )

= arccotg( cotg 37,59° + ) = 29,62°

β

1.3.2 Xác định tỉ số truyền của hệ thống lái, của cơ cấu lái và dẫn

• Tỉ số truyềncủa dẫn động lái : với xe con idd = 0,85-1,1 chọn idd = 1

• : tỉ số truyền của hệ thống lái

Xác định tỉ số truyền cơ cấu lái:

+ Mô men cản M3 gây lên bởi việc làm ổn định các bánh xe dẫn hướng Mc= 2(M1 + M2 + M3)

M2 = Y.x = Z1.ϕ

0,14 Rbx

+ : bán kính bánh xe.

+ : tay đòn lực ngang với trụ đứng của hệ thống lái, thừa nhận R bx.

Rbx là bán kính làm việc trung bình của bánh xe,Rbx = λ

⇒ Tổng mô men cản quay ở cả 2 bánh dẫn hướng tác dụng lên cam quay và

từ cam quay qua đòn dọc của dẫn động lái là:

Mc=2(M1 + M2 + M3)

Vậy mô men cản quay vòng tại cầu dẫn hướng là:

→Ta thấy Qmax<500N nên thỏa mãn

1.4 Thiết kế cơ cấu lái

2.2.1 Tính toán bộ truyền trục răng-thanh răng

10 Thanh răng

11 Trục răng

a)Chọn vật liệu.

Trục răng và thanh răng được chế tạo bằng thép 40X, tôi cải thiện, độ rắnHRC 50, σb =750MPa,σch =550MPa

, phôi rèn

b) Xác định các thông số của bộ truyền

*Tính bánh răng rẻ quạt theo độ bền tiếp xúc:

Bánh răng rẻ quạt là bánh răng trụ răng thẳng.Tính toán nhằm thoả mãn điềukiện tiếp xúc lớn nhất σH

sinh ra khi các đôi răng ăn khớp không vượt quá trị sốcho phép [ ] σH

Ứng suất tiếp xúc lớn nhất được tính theo công thức Héc đối vớihai hình trụ tiếp xúc dọc đường sinh Ta có điều kiện bền:

Hình 2 1 Sơ đồ bộ truyền trục răng-thanh răng

[ ]H

n M

H 2

q

- bán kính cong tương đương của bề mặt

ZM-hệ số xét đến cơ tính của vật liệu

Do bánh răng rẻ quạt chế tạo bằng thép nên ZM=275(MPa)1/2

Vì hiện tượng tróc rỗ xảy ra tại phần chân răng gần vùng tâm ăn khớp, nên tatính toán độ bền tiếp xúc của răng tại tâm ăn khớp

Đối với bánh răng trụ răng thẳng, cường độ tải trọng pháp tuyến, có xét đến

sự phân bố không đều tải trọng theo chiều rộng vành răng và tải trọng động là:

H 2

Hv H d Hv

H H

n n

l

cos.d

K.K.M2K

.K.l

Fq

ω ω

β β

α

=

=

Để đơn giản trong tính toán ta giả thiết có hai răng ăn khớp cùng một lúc

Do đó tổng chiều dài tiếp xúc lH bằng chiều rộng vành răng bω

;Bán kính cong tương đương

1 2

2

1 ρ ρ

ρ ρ ρ

+

=Trong đó :

Do đó

ω

ω αρ

H d H

M H

b

K K M d

Z Z Z

σ α sin α cos

2 σ

ω ω ω

β 2

-ứng suất tiếp xúc cho phép (MPa),

- ZH-hệ số xét đến hình dạng bề mặt tiếp xúc, tính theo công thức

ω

α2sin

6 , 1 4 3

4

-=

ε

ε

Hệ số chiều rộng bánh răng ω

ω ψ

, ta chọn ψa =0,4

.Bán kính vòng chia của bánh răng rẻ quạt : Rc2 = 37,5 (mm) Suy ra

Do vậy chiều rộng răng

Chiều cao chân răng: hf2 = h2 - hđ2 = 9,6-3,6 =6 (mm)

Khe hở chân răng: c = (0,15- 0,25) m =0,15.6 =0,9 (mm)Đường kính vòng đinh răng: Dđ2 = Dc2 + 2 hđ2 = 75+2.3,6= 82,2 (mm)Đường kính vòng chân răng:

Bước răng: t= π.m = π.6 = 18,85(mm)

* Tính bánh răng rẻ quạt theo độ bền uốn

Để đảm bảo độ bền uốn cho răng, ứng suất uốn sinh ra tại chân răng khôngđược vượt quá một giá trị cho phép :

[ ]u c

w

F F

d u

m R b

Y Y K M

σ

Md mômen quay trục bánh răng rẻ quạt = 4443 (Nm)

Rc bán kính vòng chia bánh răng rẻ quạt Rc= 37,5 (mm)

hệ số kể đến độ nghiêng của răng ( bánh răng thẳng)

= 550 (Mpa)

Thoả mãn điều kiện bền cho phép của loại vật liệu chế tạo

1.5 Thiết kế dẫn động lái

1.5.1 Công dụng của hình thang lái:

Hình thang lái có tác dụng đảm bảo sự quay vòng đúng của các bánh xe dẫnhướng Khi đó các bánh xe dẫn hướng không có sự trượt khi xe chuyển động Đảm bảo quan hệ giữa góc quay của bánh xe dẫn hướng bên trái và bênphải sao cho các bánh xe lăn trên các đường tròn khác nhau nhưng đồng tâm

1.5.2 Xây dựng đường đặc tính lý thuyết của hình thang lái:

Theo lý thuyết quay vòng của các bánh xe dẫn hướng: điều kiện quay vòng lýtưởng để các bánh xe không bị trượt bên là:

Cotgβi - cotgαi = L

B0

(2.5)Trong đó:

βi – góc quay vòng của bánh xe dẫn hướng bên ngoài (độ);

αi – góc quay vòng của bánh xe dẫn hướng bên trong (độ);

B0 – khoảng cách giữa 2 đường tâm trụ đứng = 1195 (mm);

L – chiều dài cơ sở của xe: L=2600 (mm)

B

Cho α các giá trị khác nhau từ 0 0 ÷ 40 0

40 31,72

Đồ thị đường đặc tính lý thuyết

1.5.3 Xây dựng đường đặc tính thực tế hình thang lái

Nhiệm vụ cơ bản khi thiết kế hình thang lái ô tô là xác định đúng góc nghiêngcủa các đòn bên khi xe chạy thẳng và các kích thước hình học của chúng

Sơ đồ hình thang lái:

Hình 2.2 Sơ đồ xác định các kích thước của hình thang lái

Cần xác định góc và độ dài mỗi đòn bên m và đòn ngang n

Quan hệ thực tế giữa các góc quay α, β phụ thuộc vào và m, n

Khi xe chạy thẳng:

Từ sơ đồ dẫn động lái trên hình ta có thể tính được mối quan hệ giữa cácthông số theo biểu thức sau:

Hình 2.3 Sơ đồ quay vòng của hình thang lái

Khi bánh xe dẫn hướng bên trái quay đi một góc và bánh xe bên phải quay đi

1 góc β, lúc này hai đòn bên phải hợp với đường thẳng ngang một góc và bánh xebên trái là

Từ sơ đồ dẫn động trên hình trên ta có mối quan hệ của các thông số theoquan hệ sau:

Trong đó: m thường lấy theo kinh nghiệm m = (0,11÷0,16).B

Chọn sơ bộ theo kinh nghiệm

1.5.4 Tính các chi tiết của dẫn động lái

1.5.4.1 Chọn đường kính của trục đường quay đứng Đường kính của trục đòn quay đứng được xác định theo công thức sau:

(2.20) Trong đó: Mc - Momen cản quay vòng lớn nhất

Pvlmax - Lực lái lớn nhất tác dụng lên vô lăng

D, d - Đường kính ngoài và trong của trục lái

Chọn vật liệu chế tạo là thép C40 không nhiệt luyện, phôi chế tạo là phôithép ống, ứng suất tiếp xúc cho phép

Chọn sơ sộ kích thước của trục lái:

G: Mô đuyn đàn hồi dịch chuyển G= 8.104 MN/m2

Lực Q là lực tác dụng lên chốt cầu dưới đòn quay đứng

Q1 = PD, Với PD là lực cản quy về đầu đòn quay đứng