ch¬ng 7 tÝnh to¸n thiÕt kÕ hÖ thèng l¸i 145 ch¬ng 7 tÝnh to¸n thiÕt kÕ hÖ thèng l¸i 7 1 s¬ ®å ®éng häc cña c¸c hÖ thèng l¸I tiªu biÓu vµ t¶I träng tÝnh to¸n 7 1 S¬ ®å ®éng häc Hình 7 1 Sơ đồ tổng qu.
ch-ơng tính toán thiết kế hệ thống lái 7.1 sơ đồ động học hệ thống láI tiêu biểu tảI trọng tính toán 7.1 Sơ đồ động häc Hình 7.1- Sơ đồ tổng quát hệ thống lái khơng có trợ lực 1- Vành tay lái 5- Thanh kéo dọc - Trục lái - Cơ cấu lái 7- Hình thang lái 4,6 -Địn quay đứng Hình 7.2 Sơ đồ hệ thống lái có trợ lực - Đòn quay đứng - Thanh kéo dọc - Đòn quay ngang - Cầu dẫn hướng - Cơ cấu xilanh lực, van phân phối 6, 9, 10 - Cơ cấu hình thang lái - Trục lái - Vành tay lái 11 - Bánh xe dẫn hướng 12 - Trụ xoay đứng 7.1.2 T¶i träng tính toán 7.1.2.1 Mômen cản M1 Mômen cản quay vòng đ-ợc xác định theo công thức: M = Gbx f a (7 - 1) Trong ®ã: Gbx - trọng l-ợng tác dụng lên bánh xe dẫn h-ớng a - cánh tay đòn 145 f - hệ số cản lăn theo lý thuyết ôtô ứng với loại đ-ờng nhựa tốt ta chọn f = 0,015 7.1.2.2 Mômen cản M2 tr-ợt lê bánh xe mặt đ-ờng Khi có lực ngang Y tác dụng lên bánh xe bề mặt tiếp xúc lốp đ-ờng bị lệch trục bánh xe Nguyên nhân lệch đàn hồi bên lốp Điểm đặt lực Y nằm cách hình chiếu trục bánh xe đoạn x phía sau Theo lý thuyết ôtô x đ-ợc xác định công thức sau: x = 0,5 r − r 2bx (7 - 2) Trong ®ã: r - bán kính tự bánh xe r = (B + d )25,4 (mm) Víi: B - chiều rộng lốp d - đ-ờng kính vành bánh xe rbx - bán kính làm việc bánh xe Do mômen cản bánh xe tr-ợt lê là: M = Gbx .x ( KGm) (7 - 3) Với: - hệ số bám ngang theo lý thuyết ôtô ứng với đ-ờng nhựa tốt ta chọn = 0,8 Để làm ổn định bánh xe dẫn h-ớng ng-ời ta làm góc đặt bánh xe: + - góc nghiêng trụ quay đứng mặt phẳng ngang xe + - góc nghiêng trụ quay đứng mặt phẳng dọc xe + - góc lệch vết tiếp xúc lốp với mặt đ-ờng so với mặt phẳng bánh xe + - góc doÃng bánh xe dẫn h-ớng Tất góc để làm ổn định cho hệ thống lái nh-ng chúng làm xuất mô men cản M3 Trong tính toán giá trị mô men cản M3 đ-ợc kể đến hệ số - hệ số tính đến ảnh h-ởng M3 cầu tr-ớc ôtô bị nâng lên = 1,07 1,15 Nh- vËy: Mc = ( M + M ) ( KGm) l (7 - 4) Với: 146 l - hiệu suất tính đến tiêu hao ma sát cam quay khớp nối truyền động lái Với xe thiết kế có cầu dẫn h-ớng đằng tr-ớc ta chọn 7.2 tính toán động học hình thang lái Nhiệm vụ tính toán động học dẫn động lái xác định thông số tối -u hình thang lái để đảm bảo động học quay vòng c¸c b¸nh xe dÉn h-íng mét c¸ch chÝnh x¸c nhÊt động học đòn quay đứng có biến dạng phận đàn hồi hệ thống treo chọn thông số cần thiết hệ thống truyền dẫn động lái Từ lý thuyết quay vòng ta thấy để nhận đ-ợc lăn tinh bánh xe dẫn h-ớng quay vòng hệ thống lái phải đảm bảo mối quay hệ sau của góc quay bánh xe dẫn h-ớng bên bên so với tâm quay vòng Theo giáo trình thiết kế tính toán ôtô máy kéo mối quan hệ đ-ợc thể công thức sau: Cotg − Cotg = B L (7-5 ) Trong ®ã: : góc quay bánh xe dẫn h-ớng bên : góc quay bánh xe dẫn h-ớng bên B : khoảng cách hai đ-ờng tâm trụ đứng L : chiều dài sở ôtô Từ biểu thức để bánh xe dẫn h-ớng lăn tinh mà không bị tr-ợt lết trình quay vòng hiệu số cotg góc quay bánh xe bên bên phải số B/L Hình thang lái phải đảm bảo động học quay vòng bánh xe dẫn h-ớng Nó bao gồm khâu đ-ợc nối với khớp cầu đòn bên đ-ợc bố trí nghiêng góc so với dầm cầu tr-ớc 7.2.1 Tr-ờng hợp xe thẳng: Từ sơ đồ dẫn động lái hình 2.8 ta tính đ-ợc mối quan hệ thông số theo biÓu thøc sau: X = B − * (m * cos + p * cos ) ( 7-6 ) Trong ®ã: sin = ( y − m * sin ) / p Mặt khác: (7-7) sin + cos = 147 cos = − sin = * p − ( y − m * sin ) p ( 7-8 ) H×nh 7.2 Sơ đồ hình thang lái xe chạy thẳng Thay (7-8) vào (7-7) ta đ-ợc: X = B * (m * cos + p − ( y − m * sin ) ) ( 7-9 ) Các đòn bên tạo với ph-ơng dọc góc Khi ôtô quay vòng với bán kính quay vòng khác mà quan hệ đ-ợc giữ nguyên nh- công thức hình thang lái Đan - Tô thoả mÃn hoàn toàn đ-ợc Tuy nhiên ta chọn kết cấu hình thang lái cho sai lệch với quan hệ lý thuyết giới hạn cho phép tức độ sai lệch góc quay vòng thực tế lý thut cho phÐp lín nhÊt ë nh÷ng gãc quay lớn, nh-ng không đ-ợc v-ợt 1.50 7.2.2 Tr-ờng hợp xe quay vòng: Hình 7.3 Sơ đồ hình thang lái xe quay vòng 148 Khi bánh xe bên trái quay góc bên phải quay góc , lúc đòn bên bánh xe bên phải hợp với ph-ờng ngang góc (-) bánh xe bên trái ( +) Từ sơ đồ dẫn động hình 7.3 ta có mối quan hệ thông số theo quan hệ sau: AD = B − m * cos ( − ) + p * cos ' + X ( 7-10 ) Víi: cos ' = * p − y − m * sin ( − ) p ( 7-11 ) Tõ quan hệ hình học tam giác ACD ta có: AC = AD + CD = AD + y ( 7-12) BC = AC + AB − * AB * AC * cos Thay(7-12) vào biểu thức ta có: cos = AC + AB − BC y + m + AD − p = * AC * AB * m AD + y = arccos y + m − p + AD 2 * m * AD + y ( 7-13 ) Tõ mèi quan hƯ h×nh häc tam gi¸c ta cã: tg = y CD = AD AD = arctg y AD Mặt khác: + = + ( 7-14 ) = + − ( 7-15 ) Tõ (7-13) vµ (7-14) thay vào (7-15) ta rút đ-ợc biểu thức liên hệ nhsau: = arctg y y + m − p + AD + arccos − 2 AD * m * AD + y ( 7-16 ) Trong ®ã: 149 AD = 2 * m * cos + p − ( y − m * sin )2 − − m * cos ( − ) + p − ( y − m * sin ( − ))2 (7-17) 7.3 xác định lực mômen tác dụng lên hệ thống lái 7.3.1 Xác định lực cực đại tác dụng lên bánh lái Hình 7.4 Sơ đồ đặt Hình 7.5 Sơ đồ lực ngang tác dụng lên xe quay vòng bánh xe dẫn h-ớng Lực lớn đặt lên vành tay lái đ-ợc xác định theo công thức: Pmax = M c R.ic id th (7 - 18) Trong đó: Mc - mô men cản quay vòng R - bán kính bánh lái ic - tỷ số truyền cấu lái th - hiệu suất thuận cấu lái, cấu lái loại trục vít id - tỷ số truyền truyền động lái 7.4 Thiết kế cấu lái 7.4.1 Thiết kế cấu lái trục vít-thanh : 7.4.1.1 Tính bền trục lái ứng suất xoắn tác dụng lên trục lái: = Pmax R.D 0,2.( D − d ) (7 - 19) 150 Trong đó: Pmax - lực cực đại tác dụng lên bánh tay lái R - bán kính vành tay lái d - đ-ờng kính trục lái D - đ-ờng kính trục lái ứng suất xoắn cho phép trục lái là: [ ] = 50 80 MN / m Với trục lái dài cần kiểm tra góc xoắn đối trục lái, góc xoắn trục lái đ-ợc tính theo công thøc: = 2. L G.D (7 - 20) Trong ®ã: L - chiều dài trục lái D - đ-ờng kính trục lái G - mô đun đàn hồi dịch chuyển - ứng suất xoắn tác dụng lên trục lái - góc xoắn trục lái Góc xoắn cực đại không đ-ợc v-ợt 5,5 7,5 mét chiều dài 7.4.1.2 Tính toán sức bền cấu lái a Tính toán cấu lái theo độ bền uốn ứng xuất uốn tiết diện nguy hiểm đ-ợc xác định theo công thức: u = p.k [ ] b.t n y (7 - 21) Trong ®ã : P - lực chiều trục b - chiều rộng bánh tn - b-ớc pháp tuyến tn= m y - hệ số dạng k - hƯ sè bỉ xung tÝnh ®Õn sù tËp trung øng suất Xác định thông số : theo giáo trình tttk ôtô ta có: P = P1 R r0 (7 - 22) Víi : P1 - lµ lùc cùc đại tác dụng lên vành tay lái R - bán kính vành tay lái 151 r0 - bán kính vòng tròn sở bánh chủ động b chọn theo giá trị m theo giáo trình TTTK ôtô với m hệ số mô đun bánh bánh nghiêng nên chän m = V©y b = (7 8,6).m = (7 8,6).4 K chän b»ng 0,75 Chän gãc nghiêng Chọn hệ số biên dạng b Tính bền cấu lái theo tiếp xúc ứng suất tiếp xúc vị trí ăn khớp trục vít đ-ợc xác định theo công thức : tx = 0,418 N E 1 ( + ) b0 1 (7 - 23) Trong : N - lực thẳng góc tác dụng lên mặt tiếp xúc ăn khớp E - mô đun đàn hồi E=2,1.105(MN/m2) b0- chiều dài đ-ờng tiếp xúc , - bán kính cong bề mặt chủ động thụ động điểm tiếp xúc - góc ăn khớp ta có : N= p cos cos tx = 0,418 ; P.E 1 ( + ) b cos 1 b0 = b cos (7 - 24) sin 1 = r1 cos Mµ : = r sin cos Với : r1 r2 lần l-ợt bán kính vòng tròn lăn trục vít ứng với bánh chế tạo liền trục số nhỏ (z =5 (răng)) 7.4.1.3 Tính bền đòn quay đứng Đòn quay đứng cấu lái dùng để truyền động từ trục thụ động cấu lái đến đòn dọc truyền ®éng l¸i 152 Thùc nghiƯm chøng tá r»ng lùc cùc đại tác dụng lên đòn dọc th-ờng không 0,5G1 (ở G1 - trọng l-ợng tác dụng lên bánh tr-ớc ôtô trạng thái tĩnh) Vì tính đòn quay lấy lực lớn tác dụng lên chốt cầu Hình 7.6 Sơ đồ tính toán đòn quay đứng Lực mômen cản quay lớn tạo là: Pmax R.ic t Q= ld (7 - 25) Trong đó: Pmax - lực cực đại tác dụng lên vành tay lái R - bán kính vánh tay lái ic - tỷ số truyền cấu lái t - hiệu suất thuận cấu lái ld - chiều dài đòn quay ®øng øng suÊt uèn: u = Q.l d ứng suất xoắn: x = Q.c Trong đó: c - khoảng cách từ tâm tiết diện tới tâm rôtuyn 7.4.1.4 Tính toán sức bền đòn dẫn động Đòn dọc AB, đòn ngang CD (hình 7.4) d-ợc tính theo ứng suất uốn dọc nén 153 Hình 7.7 Sơ đồ tính toán đòn dẫn động truyền động lái a Tính đòn kéo dọc ứng suất kéo nén đ-ợc tính theo công thức: kn = Q F (7- 26) Trong đó: F - diện tích tiết diện đòn kéo dọc F= D ứng suất uốn dọc đòn kéo dọc đ-ợc xác định theo công thức: bd = E jd l2F (7 - 27) Trong ®ã : E - mô đun đàn hồi vật liệu chế tạo E=2,1.105 (MN/m2) l - chiều dài đòn kéo dọc jd - mô men quán tính tiết diƯn däc jd= D 64 §é dù tr÷ bỊn cho phÐp cđa tõ 1,2 2,5 Độ dự trữ K đ-ợc tính theo công thức: ud K= un 154 b Tính bền đòn kéo ngang Lực N đ-ợc xác định theo lực phanh lực phanh max đ-ợc tính theo công thức: N= Pp max C = e G1 mlp C. 2e (7 - 28) Trong đó: G1 - tải trọng đặt lên cầu tr-ớc trạng thái tĩnh m1p - hệ số phân bố lại tải trọng lên cầu tr-ớc phanh tính toán chọn - hệ số bám lốp mặt đ-ờng chọn theo lý thuyết ôtô c, e - kích th-ớc nh- hình 7.7 ứng suất nén đòn kéo ngang: n = N Ft (7 - 29) Tiết diện đòn kÐo ngang FT = D øng suÊt uốn dọc đòn kéo ngang là: E J t ud = l Ft (7 - 30) Trong đó: E - mô đun đàn håi kÐo E = 2,1.105 (MN/m2) Jt - lµ mô men quán tính tiết diện đòn kéo JT = D 64 Ft - lµ tiÕt diƯn đòn kéo ngang l - chiều dài đòn kéo ngang Độ dự trữ ổn định đòn kéo kÕt cÊu hoµn thiƯn: ud nod = un 7.4.1.5 Tính bền khớp cầu (Rôtuyn) a Tính ứng suất chèn dập bề mặt làm việc khớp cầu ứng suất chèn dập bề mặt làm việc khớp cầu đ-ợc xác định theo công thức: d = Q F (7 - 31) 155 Víi: F - lµ diƯn tích tiếp xúc mặt cầu đệm rôtuyn Trong thùc tÕ diƯn tÝch lµm viƯc chiÕm 2/3 diƯn tÝch bề mặt khớp cầu Nên mặt chịu lực tiếp xúc chiếm 1/2 2/3 = 1/3 bề mặt khớp cầu Ta cã: F= D 4.3 Víi: D - đ-ờng kính khớp cầu [ ] Hệ số an toàn: n= d b Kiểm tra khớp cầu theo điều kiện cắt (Kiểm tra độ bền cắt khớp cầu tiết diện nguy hiểm nhất) ứng suất cắt đ-ợc tÝnh theo c«ng thøc: c = Q Fc (7 - 32) 7.4.2 Thiết kế cấu lái trục vít-êcu bi Tû sè trun cđa hƯ thèng l¸i: i= Mc R.PL max t (7-33) Trong đó: Mc - Mômen cản quay vòng chỗ, PLmax - Lực lái lớn ng-ời lái, R - bán kính vành lái, Hình 7.8- Hệ thống lái trục vít - êcu- bi-thanh răng, cung 156 Tỷ số truyền cấu lái: i = i id (7-34) Trong đó: id = Ln/Lđ=1 tỷ số truyền dẫn động lái.(đà tính trên) Hình 7.9- Các thông số trục vít - êcu- bi Khi đánh lái, trục vít bị xoay, tạo lực vuông góc từ bề mặt rÃnh vít qua viên bi tác dụng vào bề mặt rÃnh bi ê cu Lực đ-ợc phân thành thành phần: lực vòng Pv lực dọc trục Pd Lực Pd lực tác dụng làm quay bánh rẻ quạt Lực Pd có giá trÞ nh- sau: M L Pd = c d t (7-35) R c L n Trong ®ã: Mc- mômen cản quay vòng xe đứng chỗ, Ld - Độ dài đòn quay đứng, Ln - Độ dài đòn quay ngang, đoạn nối trục bánh xe với đòn kéo dọc, th hiệu suất thuận cấu lái, th = 0,7 Rc2- bán kính vòng chia bánh rẻ quạt, Chọn vật liệu chế tạo trục vít thép 35 Do đặc điểm cấu tạo, Êcu bi chi tiết đ-ợc làm từ thép 45 Xác định đ-ờng kính cđa ren trơc vÝt theo ®é bỊn kÐo: d1 4.1,3.Pd K (7-36) 157 Theo b¶ng P2.4 (Tính toán thiết kế hệ đẫn động khí TËp 1) chän d1 = 22(mm) Chän ®-êng kÝnh bi: db = (mm) (mm) B-íc vÝt p = db+ (15) mm = 11(mm) Bán kính rÃnh lăn: chọn r1 = 0,51 db = 0,51.6=3,06(mm) Khoảng cách từ tâm rÃnh lăn đến tâm bi: d c = r1 − b cos (7-37) Trong - góc tiếp xúc, nên chọn = 45o khả tải trục vít tăng Đ-ờng kính vòng tròn qua tâm viên bi: Dtb = d1+ 2(r1 c) Đ-ờng kính đai èc: D1= Dtb + 2(r1 – c) ChiỊu s©u cđa profin ren: h1 = ( 0,3 0,35) d b §-êng kÝnh ngoµi cđa trơc vÝt: d= d1 + 2h Đ-ờng kính ê cu: D =D1 h1 Góc nâng trục vít đ-ợc xác định nh- sau: p ) .Dtb (7-38) 2 d1 sin (7-39) = arctg ( - Góc ma sát lăn thay thế: = artg với = 0,0040,006 hệ số ma sát lăn B-íc vÝt: t = Dtb tg = Sè viªn bi vòng ren làm việc: Zb = Dtb.K/db Số viên bi không làm việc phụ thuộc vào chiều dài rÃnh hồi bi: Zk = Lk/db Trong đố: LK chiều dài rÃnh hồi bi Tổng số viên bi: Z = Z b + Zk Xác định khe hở h-íng t©m: = D1 – (2db +d1) Khe hë t-ơng đối: = /d1 Hiệu suất thuận; tg t = tg ( + ) HiƯu st nghÞch: 158 ng = tg ( − ) tg +) Tính kiểm bền Tải trọng riêng dọc trục xác định theo c«ng thøc sau: qa = Pd Z b d b2 (7-40) Từ khe hở t-ơng đói tải trọng riêng dọc trục qa, theo đồ thị xác định ứng suất lớn max., ta xác định đ-ợc øng st lín nhÊt max [max] = 5000 Mpa ®èi với mặt làm việc trục vít Do trị số max thoả mÃn điều kiện: max < [max] 7.5 Thiết kế dẫn động láI trợ lực lái 7.5.1 Tính phần tử trợ lực Trên sở đà tính toán mô men cản quay vòng (Mc) ta xác định lực tác động lên dẫn động lái đẩy piston Lực tác dụng lên c-ờng hoá Ph Ph = Pvlmax- P (7 - 41) Trong đó: Pvlmax - lực cực đại tác dụng lên vành tay lái P - lực ng-ời lái đảm nhận P từ 40 70(N) xe du lịch Ta chọn P = 70(N) Xác định lực tính toán: Nh- đà tính toán lực lớn mà ng-ời lái sinh ng-ời lái thực quay vòng chỗ mômen cản quay vòng lớn Trong xilanh sinh mônmen có độ lớn bằng: Mch= k.Mc Với k phần trăm lực mà c-ờng hoá sinh vành tay lái quy dẫn vành tay lái k= Pvl max P 100% Pvl max Trong Pvlmax - lực cực đại tác động lên vành tay lái ch-a có c-ờng hoá P - lực cực đại ng-ời lái tác dụng lên vành tay lái ch-a có c-ờng hoá Lực mà xilanh sinh ra: Pxl= M ch e (7 - 42) 159 7.5.2 TÝnh to¸n xilanh trợ lực Xác định đ-ờng kính xilanh trợ lực đ-ờng kính cần piston dựa vào công thøc: Dx= 4.Pxl +d2 P0 (7 - 43) Trong ®ã : Dx - lµ ®-êng kÝnh cđa xilanh trợ lực P0 - áp suất cực đại hệ thống c-ờng hoá d - đ-ờng kính cần ®Èy piston chän Pxl - lµ lùc mµ xilanh sinh 160 ... góc để làm ổn định cho hệ thống lái nh-ng chúng làm xuất mô men cản M3 Trong tính toán giá trị mô men cản M3 đ-ợc kể đến hệ số - hệ số tính đến ảnh h-ởng M3 cầu tr-ớc ? ?tô bị nâng lên = 1,07... truyền động lái Với xe thiết kế có cầu dẫn h-ớng đằng tr-ớc ta chọn 7.2 tính toán động học hình thang lái Nhiệm vụ tính toán động học dẫn động lái xác định thông số tối -u hình thang lái để đảm... hồi hệ thống treo chọn thông số cần thiết hệ thống truyền dẫn động lái Từ lý thuyết quay vòng ta thấy để nhận đ-ợc lăn tinh bánh xe dẫn h-ớng quay vòng hệ thống lái phải đảm bảo mối quay hệ sau