các bước thiết kế tính toán hệ thống lái

Bai giang TKTT oto1 pdf ĐỀ CƯƠNG CHI TIẾT BÀI GIẢNG Tên học phần Thiết kế tính toán ô tô Mã học phần AT6051 Bài 4 THIẾT KẾ TÍNH TOÁN HỆ THỐNG LÁI 1 Công dụng, phân loại, yêu cầu 1 1 Công dụng Hệ thống Hệ thống lái phải bảo đảm: • quay vòng ôtô với bán kính quay vòng nhỏ ttong thời gian ngắn ưên diện tích nhỏ; • lái nhẹ nhàng thuận tiện; • động học quay vòng đúng để các bánh xe không bị trượt lết; • ttánh va đập truyền ngược từ bánh xe lên vô lăng; • giữ chuyển động thẳng ổn định.

ĐỀ CƯƠNG CHI TIẾT BÀI GIẢNG Tên học phần: Thiết kế tính tốn tơ Mã học phần: AT6051 Bài THIẾT KẾ TÍNH TỐN HỆ THỐNG LÁI 1- Cơng dụng, phân loại, yêu cầu 1.1- Công dụng Hệ thống lái sử dụng để thay đổi hướng chuyển động giữ cho ôtô chuyển động theo hướng định 1.2- Phân loại • Theo cách bố trí vơ lăng: vơ lăng trái vơ lăng phải • Theo số lượng bánh xe dẫn hướng: cầu trước dẫn hướng, cầu dẫn hướng, tất bánh xe dẫn hướng • Theo kết cấu cấu lái: bánh - răng, trục vít - cung răng, trục vít - lăn, trục vít - êcu - - cung răng, • Theo phận ttợ lực: trợ lực thuỷ lực, trợ lực khí nén, 1.3- Yêu cầu Hệ thống lái phải bảo đảm: • quay vịng ơtơ với bán kính quay vịng nhỏ ttong thời gian ngắn ưên diện tích nhỏ; • lái nhẹ nhàng thuận tiện; • động học quay vịng để bánh xe khơng bị trượt lết; • ttánh va đập truyền ngược từ bánh xe lên vơ lăng; • giữ chuyển động thẳng ổn định 2- Kết cấu hệ thống lái Sơ đồ kết cấu hệ thống lái ôtô thể hình 12.1, bao gồm phận sau: 1- vơ lăng, 2trục lái, 3- cấu lái, 4- đòn quay đứng, 5- đòn kéo dọc, 6hình thang lái, 7- địn ngang, 8- cam quay, 9- bánh xe dẫn hướng 2.1- Vô lăng Vô lăng có dạng vành trịn, có nhiệm vụ tiếp nhận lực tác động người lái truyền vào hệ thống lái 2.2- Trục lái Trục lái thường có dạng ống, đảm nhận việc trưyền mơ men tị vơ lăng tới cấu lái 2.3- Cơ cấu lái Cơ cấu lái phân hệ thống lái, có nhiêm vụ biến chuyển động quay vịng trục lái thành chuyển động góc địn quay đứng đảm bảo tỷ số truyền theo yêu cầu Về chất, cấu lái hộp giảm tốc có nhiệm vụ tăng mơ men truyền từ vơ lăng tới bánh xe dẫn hướng Các thông số đặc trưng cho cấu lái gổm có tỷ số truyền, hiệu suất thuận hiệu suất nghịch a) Tỷ số truyền cấu lái Tỷ số truyền cấu lái định nghĩa sau: đó: d góc quay vơ lăng dQ góc quay trục đòn quay đứng Tỷ số truyền cấu lái khơng đổi thay đổi Trên hình 12.2 ví dụ quy luật thay đổi tỷ số truyền cấu lái Trên hình 12.2 ta thấy tỷ số truyền thay đổi theo góc đánh lái sau: Hình 12.2 Quy luật thay đổi tỷ số truyền cấu lái - < 90° ic có giá tri cực đại; - > 90° ic giảm nhanh; - > 270° ic gần khơng đổi Với quy luật thay đổi trên, ôtô chuyển động đường thẳng vái vận tốc cao, người lái phải đánh lái với góc nhỏ xung quanh vị trí trung gian, nên tỷ sớ truyền lớn giúp cho người lái điều khiển ôtô nhẹ nhàng Hơn tỷ số truyền lớn có tác dụng làm giảm va đập truyền ngược từ đường lên vô lăng Ở góc đánh lái lớn tỷ số truyền nhỏ giúp cho việc điều khiển linh hoạt hơn, cho phép ơtơ quay vịng chỗ hẹp, bán kính quay vòng nhỏ Cơ cấu lái với tỷ số truyền thay đổi thường phức tạp đắt tiền Vì vậy, hệ thống lái có trang bị trợ lực nên sử dụng cấu lái có tỷ số truyền khơng đổi b) Hiệu suất cấu lái Trong cấu lái người ta phân biệt hiệu suất: thuận nghịch Hiệu suất thuận hiệu suất tính theo lực truyền từ vô lăng tới bánh xe Hiệu suất lớn tổn hao lượng điều khiển nhỏ, nghĩa lái nhẹ Hiệu suất nghịch hiệu suất tính theo lực truyền từ bánh xe lên vơ lăng, thiết kế cấu lái nên chọn hiệu suất nghịch nhỏ để giảm bớt lực truyền từ mặt đường lên vô lăng Như vây, với hiệu suất nghịch nhỏ, lực va đập từ mặt đường truyền ngược lên vô lăng giảm đáng kể Đây ưu điểm cấu lái cần tân dụng tối đa Tuy nhiên, chọn hiệu suất nghịch q bé vơ lăng khả tự trở vị trí trung gian nhờ mô men ổn định Bởi vậy, thiết kế nến chọn hiệu suất nghịch mức độ hợp lý c) Các dạng cấu lái thông dụng Hiện ôtô thường sử dụng loại cấu lái trục vít cung răng, trục vít lăn, trục vít chốt quay, bánh loại liên hợp Cơ cấu lái trục vít - cung có sơ đồ nguyên lý hoạt động thể hiên hình 12.3 Nếu gọi bước trục vít t, bán kính vịng trịn sở cung r 0, tỷ sớ truyền cấu lái tính sau: Cơ cấu lái loại có tỷ số truyền khơng đổi Góc nghiêng đường ren trục vít thường nằm khoảng từ 4-12° Hiệu suất thuận cấu lái khoảng 0,50 hiệu suất nghịch 0,40 Về cấu tạo cung có dạng thường (như phần bánh trụ) cung bên (các nằm mặt bên cung) Dạng cung bên có ưu điểm tiếp xúc tồn chiều dài nên giảm ứng suất hao mòn Cơ cấu lái trục vít - lăn dạng kết cấu tương đối thơng dụng (hình 12.4), nhờ có ưu điểm sau: Hình 12.3 Cơ cấu lái trục vít - cung • Trục vít có dạng glơ bơ nên dù chiều dài khơng lớn diện tích tiếp xúc lớn vây áp suất riêng bề mặt nhỏ, tăng khả chống mài mịn • Tải tác dụng lên chi tiết phân chia cho đường ren nên tăng khả chịu lực chúng Tuỳ theo kết cấu, lăn có từ đến vịng ren • Ma sát cấu ma sát lăn nên tổn hao ma sát nhỏ • Có khả điều chỉnh khe hở ăn khớp Trong trình làm việc bị mài mòn nên khe hở làm việc tăng dần Để điều chỉnh khe hở này, thiết kế, người ta đặt trục lăn lệch so với trục trục vít đoạn = 4-7 mm (xem hình vẽ) Nhờ đó, cách giảm ta giảm khe hở Hình 12.4- Cơ cấu lái trục vít - lăn Tỷ số truyền cấu lái trục vít - lăn vị trí trung gian xác định theo cơng thức: đó: r2- bán kính vịng trịn sở trục vít glơ bơ ít; t- bước trục vít; zr số đường ren trục vít Tỷ số truyền cấu lái tăng dần từ vị trí trung gian đến vị trí xa (khoảng 4-7%) tăng không đáng kể coi ic cấu lái dạng không đổi Hiệu suất thuận cấu lái TỊth ~ 0,65 hiệu suất nghịch Tjng ® 0,50 Cơ cấu lái loại liên hợp bao gồm trục vít - ê cu - - cung có sơ đồ nguyên lý hoạt động thể hiên ttên hình 12.5 Trục vít nối trực tiếp với trục lái, truyền mơ men sang êcu thơng qua viên bi nằm rãnh vít, nhờ vây mà giảm ma sát Trên mặt êcu có cắt răng, ăn khớp với cung để truyền mơ men sang địn quay đứng Cơ cấu lái loại có tỷ số truyền khơng đổi tính theo cơng thức: đó: r0- bán kính ban đầu cung răng; tbước trục vít Hình 12.5- Cơ cấu lái liên hợp Hiệu suất thuận cấu lái khoảng 0,7, hiệu suất nghịch khoảng 0,85 Do có hiệu suất nghịch lớn nên cấu lái dạng thường sử dụng kết hợp với phân ttợ lực để dập tắt bớt va đập từ mặt đường truyền lên vơ lăng Ta gặp cấu lái loại ôtô tải cỡ lớn 2.4- Dẩn động lái Dẫn động lái bao gồm hệ thống đòn để truyền lực từ cấu lái tới bánh xe dẫn hướng đồng thời đảm bảo cho bánh xe quay vòng với động học Ngoài ra, kết cấu dãn động lái phải phù hợp với phận hướng hệ thống treo để cho dao động thẳng đứng bánh xe không ảnh hưởng đến động học dẫn động lái Bộ phận quan trọng dẫn động lái hình thang lái, có nhiệm vụ đảm bảo động học quay vòng cho bánh xe dãn hướng Kết cấu hình thang lái phụ thuộc nhiều vào kết cấu hệ thống treo, chẳng hạn hệ thống treo phụ thuộc (ôtô con) địn ngang hình có dạng rời, cịn treo phụ thuộc (ơtơ tải ơtơ chở khách) địn ngang thường địn liền 3- Tính tốn hệ thống lái Lực cực đại tác dụng lên vơ lăng 3.1- Trong q trình thiết kế tính tốn hệ thống lái, lực đặt ttên vơ lăng xác định cho trường hợp ơtơ quay vịng chỗ lúc lực cản quay vịng đạt giá trị cực đại Mơ men cản quay vịng bánh xe dẫn hướng bao gồm thành phần: mô men cản lăn Mj, mô men ma sát bánh xe mặt đường M2 mô men ổn định M3 gây nên góc đặt bánh xe trụ đứng: M = M1+M2+M3 Mô men cản lăn xác định sau: M i=GbJa đó: Gta- trọng lượng tác dụng lên bánh xe dẫn hướng; f- hệ SỐ cản lăn; a- cánh tay địn (hình 12.6) Khi mơ men quay vịng tác dụng lên bánh xe, khu vực tiếp xúc bánh xe mặt đường xuất hiên lực ngang Y Do lốp có tính đàn hồi nên lực Y làm vết tiếp xúc bị lệch so với trục bánh xe (hình 12.7) vây, lực nằm cách trục bánh xe đoạn X Lực ngang có giá trị cực đại lực bám: ttong hệ sổ bám Như mô men ma sát bánh xe đường tính sau: M2 = Yx = ợGbxx Giả thiết lực Y đặt vết tiếp xúc, theo hình 12.7 ta có: đó: r- bán kính tự bánh xe dẫn hướng Nếu coi: rbx = 0,96r ta có: Mơ men ổn định M3 góc đặt bánh xe trụ đứng gây nên, việc tính tốn mơ men tương đối phức tạp, nên ttong tính tốn thay M hệ số À Khi mơ men cản quay vịng bánh xe dẫn hướng tính sau: Mơ men cản quay vòng đòn kéo dọc là: (5) Cuối lực cực đại đặt lên vô lăng là: Trong tính tốn nên chọn f = 0,015, cánh tay đòn a xác định theo thực tế Đối với loại ôtô thường: a = 30 4- 60 mm, ôtô tải lớn: a = 60 4-100 mm Tỷ sớ truyền cấu lái đới với ôtô nằm ttong khoảng 12 - 22, đối vối ôtô tải 16 - 32 Khi lựa chọn tỷ số truyền cấu lái cần lưu ý i c lớn lực cực đại vơ lãng nhỏ Nhưng ic lớn tốc độ quay vịng ơtơ lại nhỏ, loại ơtơ có tốc độ chuyển động cao cần chọn ic đủ bé để đảm bảo tốc độ quay vòng tương ứng với tốc độ chuyển động Kinh nghiêm cho thấy, ôtô coi điều khiển tiện lợi góc quay cực đại bánh dãn hướng (35 - 40°) tương ứng với góc quay vơ lăng khoảng 4-1,75 vịng (khơng vòng) Tỷ sổ truyền dẫn động lái phụ thuộc vào kết cấu cụ thể thường không lớn (id =0,854- 1,1) Lực cực đại đặt vô lăng Pmax không vượt 500 N 3.2- Trục lái Trục lái có dạng ống chế tạo từ thép tính kiểm tra bền theo ứng suất xoắn: với D, d đường kính ngồi trục lái Trục lái thường chế tạo từ thép bon 20, 30, 35, 40 không nhiệt luyện, ứng suất xoắn cho phép: Đối với trục dài cần kiểm tra góc xoắn trục: đó: L- chiều dài trục; G- mô đun đàn hồi (G = 8.104 MPa) Góc xoắn cực đại khơng vượt q 5,5 - 7,5° mét chiều dài 3.3- Cơ cấu lái Cơ cấu lái có nhiều dạng, việc tính tốn cấu lái phụ thuộc vào kết cấu cụ thể 3.4- Đòn quay đứng Đòn quay đứng dùng để truyền chuyển động từ trục bị động cấu lái tới đòn kéo dọc dãn động lái Kinh nghiệm cho thấy lực cực đại tác dụng lên địn kéo dọc thường khơng vượt q trọng lượng tác dụng lên bánh xe dẫn hướng Vì tính địn quay đứng nên chọn lực lớn lực tính theo cơng thức dưói để tính tốn: Trong q trinh thiết kế dẫn động lái, sở kích thước ơtơ cho, người ta lựa chọn kích thước hình thang lái sau kiểm tra động học Có phương pháp kiểm tra động học hình thang lái: phương pháp đồ hoạ phương pháp đồ thị Để kiểm động học hình thang lái phương pháp đồ hoạ người ta dựng sơ đồ động học quay vịng với giả thiết ơtơ khối thống nhất, thời điểm tất điểm quay quanh tâm tức thời Như vây, để bánh xe quay vịng khơng bị cưỡng (trượt) đường tâm quay bánh xe phải cắt điểm o (hình 12.) Gọi điểm góc A, B, c, D G điểm AB Nổi G vói D đường thẳng cắt BO E Từ E kẻ đường song song với trục ôtô ta điểm F Trên hình dựng ta nhận thấy góc EBF = Ị3, xét tam giác BEF ta Hình 12.9-Sơđồ động học quay vịng ơtơ Kết luận ưên cho phép kiểm tra động học hình thang lái phương pháp đồ hoạ sau: Biểu thức ttên cho ta mối quan hệ góc quay bánh xe dãn hướng a, p với thông số hình thang lái m, 1, θ Nhờ biểu thức người ta kiểm tra động học hình thang lái phương pháp đồ thị sau (hình 12.11): • Với kích thước ơtơ m, L biết vẽ đường cong lý thuyết (đường LT ưên hình 12.) theo cơng thức 11; • Theo kinh nghim, chn = (0,14 ữ 0,16)m; ã Chn cỏc giá trị 0j ứng với giá trị xây dựng đường cong β = f (a) theo biểu thức 15 • So sánh đường cong dựng với đường lý thuyết chọn góc có đường cong gần với đường lý thuyết Để hạn chế mức độ mịn lốp ơtơ quay vịng, sai lệch lớn đường cong chọn với đường cong lý thuyết tính theo góc a khơng vượt q 1°: Hình 12.11- Đồ thị đặc tính hình thang lái góc khác Trong thiết kế, để lựa chọn góc có đường đặc tính gần với đường lý thuyết LT, nên góc 35° với ơtơ có L/m = 1,5 ÷ 2,5 Với thơng số 1, m, θ chọn ta xác định tồn kích thước hình thang lái b)- Tính bền địn dẫn động Sơ đồ tính tốn dãn động lái trình bày hình 12.12 Các địn truyền dãn động lái tính kiểm bền chế độ tải có lực phanh cực đại Pp tác dụng bánh xe dẫn hướng Các đòn kéo dọc AB đòn ngang CD tính kiểm bền theo kéo nén uốn dọc Lực tác dụng kéo dọc AB N xác định phần tính tốn địn quay đứng Lực Q tác dụng ngang tính theo cơng thức: Các địn chế tạo từ thép ớng 20, 30,40 c)- Khớp cầu Mặt cầu kiểm tra bền theo ứng suất chèn dập với [ơ cd ] ≤ 25 ÷ 35 MPa cổ khớp cầu kiểm bền theo cắt uốn Khớp cầu chế tạo thép hợp kim 12, 15, 20 có nhiệt luyện bề mặt để tăng khả chống mài mòn 4- Trợ lực lái Hiện ưên nhiều loại ơtơ ơtơ tải có sử dụng hệ thống trợ lực lái thuỷ lực nhằm mục đích tăng tính tiện nghi điều khiển an tồn chuyển động: giảm lực điều khiển quay vịng vơ lăng; dập tắt chân động từ mặt đường truyền lên vô lăng; giữ hướng chuyển động thẳng ôtô bị nổ lốp bánh xe dẫn hướng Trợ lực lái thuỷ lực gồm có phân chính: bơm, van phân phối xi lanh lực kết cấu ữợ lực lái có nhiều dạng khác nhau, chúng có chung nguyên lý làm việc thể sơ đồ hinh 12.13 Trên sơ đổ hình 12.13 hệ thống lái thể trạng thái tương ứng với chuyển động thẳng ôtô Lúc này, trượt van phân phối nằm vị trí trung gian, đường cấp dẩu hổi dầu nối thơng với Khi quay vịng, chẳng hạn đánh tay lái sang phải, chuyển động từ vô lăng truyền qua cấu lái tới đòn quay đứng làm dịch chuyển đòn kéo dọc 12 với trượt van phân phối sang bên ưái Dịch chuyển trượt tạo thành khoang độc lập van phân phối: khoang a đường cấp dầu từ bơm tới khoang A xi lanh công tác 8, đồng thời khoang b nối thông khoang B xi lanh với đường hồi dầu bình chứa Dưới tác dụng áp suất chất lỏng khoang A pit tông xi lanh công tác dịch chuyển xuống kéo bánh xe dẫn hướng quay sang phải, nghĩa tạo thêm lực hỗ trợ cho người lái điều khiển ơtơ quay vịng Q trình quay vịng sang ưái thực hồn toàn tương tự Một ưong yêu cầu quan ttọng đới với thống lái có trợ lực tính chép hình Tính chép hình hiểu theo nghĩa tổng qt, bao gồm tính chép hình lực hay cịn gọi "cảm giác đường" chép hình động học (tính tuỳ động) Đối vói hệ thống lái khơng có trợ lực lực cản quay vịng tăng lên lực quay vịng vơ lăng phải tăng theo Hệ thống lái có trợ lực phải đảm bảo tính chất này, tính chép hình lực Để làm điều van phân phối có bố trí buồng phản ứng c d, ttên trượt có khoan lỗ nhỏ thông khoang a với khoang c, thông khoang b với khoang d Nhờ có kết cấu vậy, quay vịng sang phải mơ tả đây, cản đường tăng lên, áp suất khoang A xi lanh lực tăng, làm áp suất khoang a tăng theo, áp suất truyền sang khoang c (buồng phản ứng) tạo nên lực tác dụng lên trượt ngược với chiều dịch chuyển làm cho người lái phải tăng lực đặt lên vơ lăng Điều có nghĩa là, lực quay vịng vơ lăng thay đổi theo lực cản đường tạo cho người điều khiển "cảm giác đường" Tính chép hình động học hiểu theo nghĩa vô lăng quay góc định bánh xe dẫn hướng quay góc tương ứng Điều thực mối liên hệ ngược nối bánh xe với với vỏ van phân phối thơng qua địn kéo Chẳng hạn, ta xét trường hợp quay vòng sang phải mô tả Nếu sau quay vơ lăng góc đó, lái xe dừng vơ lăng lại trượt dừng lại theo Nhưng lúc khoang a van phân phối thông với khoang A xi lanh công tác nên pit tông xi lanh tiếp tục dịch chuyển làm bánh xe tiếp tục quay sang phải Khi đó, địn liên động đẩy vỏ van phân phối dịch chuyển sang trái mở đường thông khoang a với đường hồi dầu bơm, lúc áp suất khoang A xi lanh công tác không tăng bánh xe dừng lại cân mơ men tác dụng lên Nghĩa ứng với góc quay định vơ lăng ta có góc quay tương ứng bánh xe dẫn hướng Đây tính tuỳ động hệ thống lái có trợ lực Đặc tính làm việc trợ lực lái thể qua mối quan hệ lực tác động lên vô lăng p mơ men cản quay vịng M Đặc tính có dạng hình 12.14 Khi khơng có trợ lực đặc tính đường thẳng OD Đối vứi hệ thống lái có trợ lực đặc tính làm việc đường OABC Trong đoạn OA tương ứng với hoạt động hệ thống khơng có trợ lực, điểm A điểm bắt đầu làm việc ượ lực Vị trí điểm A định lực nén lò xo định tâm Đoạn AB tương ứng với hoạt động hệ thống có trợ lực Tại điểm B trợ lực phát huy hết khả (áp suất chất lỏng đạt giá trị cực đại), nên đoạn BC để tăng lực quay vòng cần sử dụng lực người lái Hình 12.14- Đặc tính làm việc trợ lực lái Khi thiết kế hệ thống lái có trợ lực, lực cực đại cần có trên vơ lăng để quay vịng ơtơ Pmax phân chia thành phẩn: đó: p lực tác động người lái, Pt lực trợ lực sinh Lực tác động người lái nên chọn sau: - ơtơ con: p = 40 ÷ 70 N; - ôtô tải ôtô chở khách: p = 150 ÷ 200 N Từ cơng thức người ta xác định phần lực mà trợ lực phải chịu P t sở tính toán hệ thống trợ lực lái Tại cấu sinh lực ta viết: với: p0- áp suất xi lanh cơng tác; F- diện tích hiệu dụng pit tông xi lanh công tác; ix- tỷ số truyền từ vô lăng tới xi lanh công tác Công thức 21 cho phép xác định đường kính xi lanh cơng tác Hành trình làm việc pit tơng cần xác đỊnh dựa vào tính tốn động học hệ thống dẫn động Năng suất Q bơm thuỷ lực xác định theo điều kiện xi lanh công tác phải quay bánh xe dẫn hướng nhanh tác động người lái Nếu không đạt điều người lái phải chịu tồn lực cản quay vịng bơm dầu khơng cấp đủ lượng dầu vào xi lanh công tác để dịch chuyển pit tơng theo tốc độ cần thiết Vì vây ta có: đó: với nv vân tốc cực đại mà người lái quay vơ lăng (60 ÷ 70 vịng/ph ơtơ tải 90 vịng /ph ơtơ con), ld- chiều dài địn quay đứng Nếu xi lanh đặt cấu lái: ... động lái Bộ phận quan trọng dẫn động lái hình thang lái, có nhiệm vụ đảm bảo động học quay vòng cho bánh xe dãn hướng Kết cấu hình thang lái phụ thuộc nhiều vào kết cấu hệ thống treo, chẳng hạn hệ. .. thang lái b)- Tính bền địn dẫn động Sơ đồ tính tốn dãn động lái trình bày hình 12.12 Các địn truyền dãn động lái tính kiểm bền chế độ tải có lực phanh cực đại Pp tác dụng bánh xe dẫn hướng Các. .. tính chép hình lực hay gọi "cảm giác đường" chép hình động học (tính tuỳ động) Đối vói hệ thống lái khơng có trợ lực lực cản quay vịng tăng lên lực quay vịng vơ lăng phải tăng theo Hệ thống lái