đồ án tính toán thiết kế hệ thống lái

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐÔNG Á ĐỒ ÁN HỌC PHẦN KẾT CẤU TÍNH TOÁN Ô TÔ TÊN ĐỒ ÁN TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG LÁIaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐÔNG Á ĐỒ ÁN HỌC PHẦN: KẾT CẤU TÍNH TỐN Ơ TƠ TÊN ĐỒ ÁN: TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG LÁI Sinh viên thực hiên Ngày sinh Lớp: DCOTO : : Mã sinh viên Giáo viên : : Hồng Trọng Quyền 17/08/2001 Khóa: 10 Khoa : Cơ khí 197510205539 TS Lê Trạch Trưởng Bắc Ninh, tháng 11 năm 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ ĐƠNG Á HỒNG TRỌNG QUYỀN TÊN ĐỒ ÁN: Tính tốn thiết kế hệ thống lái Họ tên sinh viên: Hoàng Trọng Quyền Ngày sinh: 17/08/2001 Khóa: 10 Lớp: DCOTO Ngành: Cơ Khí Điểm Đồ án Bằng số: CÁN BỘ CHẤM (Ký ghi rõ họ tên) Bằng chữ: CÁN BỘ CHẤM (Ký ghi rõ họ tên) Bắc Ninh, tháng 11 Năm 2021 LỜI NĨI ĐẦU Ngành tơ giữ vị trí quan trọng kinh tế quốc dân góp phần to lớn vào phát triển chung kinh tế Trong năm gần tiến khoa học kỹ thuật ứng dụng vào cơng nghiệp chế tạo tơ nhằm tăng tính thơng qua, tính kinh tế nhiên liệu, độ tin cậy làm việc… Đối với hệ thống lái vậy, việc bố trí trợ lực lái, giảm cường độ lao động cho người lái, đảm bảo cho người hàng hóa xe Hiện số loại xe sản xuất lắp ráp Việt Nam, nhiên phần lớn xe sử dụng Việt Nam nhập từ nước Nhiệm vụ đồ án mơn học : ‘Tính tốn thiết kế hệ thống lái ô tô Hyundai Universe’ gồm nội dung sau : - Lời nói đầu - Tổng quan hệ thống lái - Tính tốn hệ thống lái - Kết luận Do hạn chế thời gian đồ án tập trung vào tính tốn cho cấu lái Q trình thực đồ án giúp đỡ bảo thầy giáo trọng môn bạn lớp, tạo điều kiện cho tơi hồn thành nội dung đồ án theo thời gian quy định Mặc dù hạn chế lực thời gian làm đồ án nên đồ án khơng tránh khói cịn nhiều thiếu sót Rất mong góp ý thầy bạn để tơi có điều kiện làm tốt đồ án tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn ! Người viết : Hoàng Trọng Quyền CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LÁI I NHIỆM VỤ, YÊU CẦU, PHÂN LOẠI 1, Nhiệm vụ Hệ thống lái sử dụng để thay đổi hướng chuyển động giữ cho ô tô chuyển động theo hướng định 2, Yêu cầu Hệ thống lái phải đảm bảo: • Quay vịng tơ với bán kính quay vịng nhỏ thời gian ngắn diện tích nhỏ; • Lái nhẹ nhàng thuận tiện; • Động học quay vịng dùng để bánh xe khơng bị trượt lết; • Tránh va đập truyền ngược từ bánh xe lên vơ lăng; • Giữ chuyển động thẳng ổn định 3, Phân loại • Theo cách bố trí vơ lăng: vơ lăng trái 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 trợ lực, trợ lực khí nén,… II CẤU TẠO CHUNG CỦA HỆ THỐNG LÁI Sơ đồ kết cấu hệ thống lái ô tô thể hình 1, bao gồm phận sau: 1- vô lăng, 2- trục lái, 3- cấu lái, 4- đòn quay đứng , 5- đòn kéo dọc, 6- hình thang lái, 7- địn ngang, 8- cam quay, 9- bánh xe dẫn hướng 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- Trục lái Trục lái thường có dạng ống, đảm nhận việc truyền mơ men từ vơ lăng tới cấu lái Hình Sơ đồ hệ thống 3- Cơ cấu lái Cơ cấu lái phận hệ thống lái, có nhiệm vụ biến chuyển động quay vòng trục lái thành chuyển động góc địn quay đứng đảm bảo tỉ số truyền theo yêu cầu Về chất, cấu lái hộp giảm tốc có nhiệm vụ tăng mô men truyền từ vô lăng tới bánh xe đẫn hướng Các thông số đặc trưng cho cấu lái gồm có tỷ số truyền, hiệu suất thuận hiệu suất nghịch III LỰA CHỌN CÁC PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ Chọn cụm : • Cơ cấu lái: dẫn động từ vành tay lái đến bánh xe dẫn hướng • Dẫn động lái: dẫn động từ bánh xe dẫn hướng sang bánh xe dẫn hướng khác 1, vành lái; 2, trục lái; 3, trục vít; 4, cung răng; 5, địn quay đứng; 6, địn kéo dọc; 7, cam quay; 8,9,10 hình thang lái; 11, trục bánh xe • Hiện dùng cấu hình thang lái để dẫn động lái Hầu chi tiết hệ thống lái khơng có phương án chọn thứ → thiết kế hệ thống lái đơn giản • Cơ cấu gồm: ✓ Cụm truyền động : Vành tay lái, đòn bên ✓ Hộp tay lái : có tỷ số truyền lớn, thay đổi phương chuyển động Chỉ hộp tay lái có nhiều phương án để chọn ✓ Có kiểu: ❖ Kiểu hộp : trục vít – cung trục vít – ecu – cung trục vít – ecu bi – cung trục vít – lăn ❖ Kiểu thước : trục vít – Chọn phương án • Xe du lịch, xe tải nhẹ : chọn kiểu thước kết cấu đơn giản, giá thành thấp • Xe tải trung bình, lớn : chọn kiểu hộp • Tùy thuộc điều kiện lái cụ thể, chọn truyền có tỉ số truyền thay đổi cố định CHƯƠNG II: TÍNH TỐN HỆ THỐNG LÁI Các thơng số cho trước Xe khách Ký hiệu lốp : 8,25 – 20 Trọng lượng phân cho cầu trước : Ga1 = 26100 N Trọng lượng phân cho cầu sau : Ga = 54500 N Chiều dài sở : L = 3612 m m Khoảng cách hai tâm trụ đứng mặt phẳng chứa hình thang lái B = 1,895 m Bán kính quay vịng nhỏ bánh xe ngồi phía trước Rng = 9,0 m Loại cấu lái : Trục vít – lăn trợ lực thủy lực ic = 20,5 Loại hệ thống treo : Trước phụ, sau phụ thuộc nhíp XÁC ĐỊNH CÁC THƠNG SỐ CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG LÁI 2.1 Xác định mô men cản quay bánh xe dẫn hướng quanh trụ đứng Lực tác dụng lên vành tay lái ô tô đạt giá trị cực đại ta quay vịng tơ chỗ Lúc mơ men cản quay vòng dọc bánh xe dẫn hướng Mc băng tổng số momen cản chuyển động M1, mômen cản bánh xe trượt lê đường M2 mômen cản cần thiết để làm ổn định dẫn hướng M3 cánh tay đòn a gây Khi xác định giá trị lực cực đại tác dụng lên vành lái Pmax cịn M3 bỏ qua + Mơ men cản lăn M1 + Mô men cản trượt M2 + Mô men cản M3 gây lên việc làm ổn định bánh xe dẫn hướng * Tính mơ men M1 M1 xác định theo công thức : M1 = Z.f.a Trong : Z1 – Trọng lượng tác dụng lên bánh xe dẫn hướng, Z1 = Ga1 26100 = = 13050( N ) 2 f – hệ số cản lăn, f = 0,015 a – cánh tay đòn ( xe a – cánh tay địn ( xem hình vẽ) Theo chọn a = 60mm Rbx Y a Pf a Hình Sơ đồ trụ đứng nghiêng mặt phẳng ngan * Tính mơ men M2 M2 xác định theo công thức : M2 = Y.x = Z  0,14 Rbx Với - hệ số bá m, c họn  = 0, x – tay đòn lực ngang trụ đứng thừa nhận x = ,14 R b x Rbx bán kính làm việc trung bình bánh xe Rbx =  ro Trong :  - hệ số kể đến biến dạng lốp, chọn tùy thuộc vào loại lốp Với lốp có áp suất thấp ta có  = 0,93÷ 0,935 Chọn  = 0,935 r- bán kính thiết kế bánh xe dẫn hướng d  ro =  B +   25,4 (mm) 2  B – chiều rộng lốp ( B = H) (inch) H- chiều cao lốp d – đường kính vành bánh xe (inch) Với bánh xe có kí hiệu : 8,25 – 20 ta xác định : B = H = 8,25 (inch) d = 20 (inch) 20    r =  8,25 +   25,4 = 463,55(mm)   Từ ta tính : Rbx = 0,935 463,55 = 433,419 (mm) Mô men cản quay vòng bánh xe dẫn hướng : M cq1 = (M + M )  k Với k hệ số kể tới ảnh hưởng mô men cản M3 xác định thực nghiệm k = 1,07 ÷ 1,15 Chọn k = 1,1 M cq1 = Z1  k  ( f  a + 0.14  Rbx ) Vậy mô men cản quay vòng cầu dẫn hướng : M cq =  Z1  k ( f  a + 0.14  Rbx ) = 13050 1,1 (0,015  65 + 0,14  433,419) = 1770076,579(N.m) = 1770,077(KN.m) 2.2 Xác định lực lớn tác dụng lên vô lăng Qmax Qmax = M cq R  il   Trong đó: - R bán kính vơ lăng, với ô tô khách R = 0,25 m -  tl : Hiệu suất thuận hệ thống lái tl = 0,67  0,72 Chọn thl = 0,7 -  = tl cam = 0,7  0,6 = 0,42 - cam : Hiệu suất tính đến ma sát dẫn động lái  cam = 0,5  0,7 chọn cam = 0,6 - il : tỉ số truyền hệ thống lái, il = ic  id = 20,5  1.4 = 28,7 Tỉ số truyền dấn động lái : với ô tô khách idd = 1,3 − 1,5 chọn idd = 1,4 Qmax = 1770,077 = 587,382(N ) 0,25  28,7  0,42 10 THIẾT KẾ CƠ CẤU LÁI 3.1 Tính tốn trục vít Chọn khoảng cách trục aw, số z2 bánh vít, số mối ren z1 Trên sở tỉ số truyền cho dựa vào thiết kế CTM ta có : ic = 20,5 Chọn số mối ren trục vít z1=  Số bánh vít: z2 =  20,5 = 41 Chọn số bánh vít z2= 42 Từ cơng thức tính tỉ số truyền cấu lái trục vít – lăn ic =    r2 t  Z1 Trong đó: - r2 : bán kính vịng chia lăn trục đòn quay đứng Chọn r2= 50mm - t : bước ren trục vít t=    r2  3,14  50 = = 7,659mm ic1  Z1 20,5  Môđun dọc trục vít: m= t  = 7,659 = 2,439mm Chọn m = 2,5 3,14 Theo bảng (7.3) Tính tốn hệ dẫn động khí với m =2,5 chọn hệ số đường kính trục q =10 Khoảng cách trục: aw = m  (Z  q ) 2,5  (42 + 10) = = 65(mm) 2 Lấy aw = 65 - Hệ số dịch chỉnh x, c họn x= - Đường kính v ịng chia: d c , d c Theo bảng ( 7.9) t í nh toán t hiết kế hệ dẫn độn g khí : d c = q.m = 10.2,5 =25 (mm) d c =m z =2,5.42=105 (mm) - Đường kính vịng đỉnh: 13 4, THIẾ T KẾ HÌN H THAN G LÁI 4,1 Cơng dụng củ a hình thang lái - Hình than g lái có tác dụng đảm bảo qua y v òng đún g bánh xe dẫn hướng Khi bánh xe dẫn hướng khơn g có s ự trượt x e chuyển độn g - Đảm bảo quan h ệ góc quay bánh xe dẫn hướng bên trái bên phải c ho c ác bánh xe lăn tr ên đường tròn k h ác đồng tâm 4.2 Xây dựng đư ờng đặc tí nh lý th uyết hình tha ng lái Muốn c ác bá nh xe thực hiệ n qu ay v ịng đú ng th ì qua n hệ g iữa chún g phải thỏa mãn côn g thức sau: cotg  -cotg  = B L Trong đó:  - góc quay bánh xe dẫn hướng phía  - góc quay bánh xe dẫn hướng phía ngồi L- chiều dài sở tô B – khoảng cách đường tâm trụ đứng mặt phẳng qua tâm trục bánh xe song song với mặt đường Hình 4: Sơ đồ động học quay vòng ⇒cotg  = cotg  + B L Cho  giá trị khác từ 00  450 ta xác định góc  tương ứng: 14 Bảng 1: Bảng thơng số đường đặc tính lý thuyết   0 1,947 3,833 5,654 7,407 10 9,09 12 10,703 14 12,243 16 13,712 18 15,163 20 16,489 22 17,849 24 19,086 26 20,305 28 21,504 30 22,636 32 23,749 34 24,797 36 25,827 38 26,839 40 27,789 42 28,767 44 29,683 45 30,114 15 35 30 25 20 Series1 15 10 0 10 20 30 40 50 Đường đặc tính lý thuyết 4.3 Xây dựng đư ờng đặc tí nh thực tế hìn h tha ng lái - Nhiệm vụ thiết kế hình thang lái Đan tơ xác định góc nghiêng địn bên 𝜃 xe chạy thẳng: Hình 5.Sơ đồ xác định kích thước hình thang lái - Cần xác định góc 𝜃 độ dài đòn bên m đòn ngang n - Quan hệ thực tế góc quay  ,  phụ thuộc vào 𝜃 m,n - Khi xe chạy thẳng: - Từ sơ đồ dẫn động lái hình ta tính mối quan hệ thông số theo biểu thức sau: sin = - Khi xe quay vịng: B− n 2m 16 Hình 6.Sơ đồ quay vịng hình thang lái Khi bánh xe dẫn hướng bên trái quay góc  bánh xe bên phải quay góc  , lúc hai đòn bên phải hợp với đường thẳng ngang góc  −  bánh xe bên trái  +  Từ sơ đồ dẫn động hình ta có mối quan hệ thông số theo quan hệ sau: m.cos( +  ) m − B.sin( +  ) − 2m.sin  + B.sin   =  + arctg − arcsin B − m.sin( +  ) m2 cos ( +  ) +  B − m.sin( +  )  Trong đó: m thường lấy theo kinh nghiệm m/B= 0,12 ; 0,14 ; 0,16 Chọn sơ theo kinh nghiệm m = 0,12 * B = 227,4 ( mm) Chọn sơ góc 𝜃 ban đầu theo công thức Chuđakop ( ) Cotg 90 −  = ( ) Cotg 90 −  = Thay số : B  0,7  L 1895 = 0,3747  0,7  3612 Ta tính   21  35 ( theo kinh nghiệm thiết kế) Cho 𝜃các giá trị xung quanh giá trị sơ (  1=210) Cho  = 190,200,210,220,230,sẽ tìm mối quan hệ thực tế  ,  theo công thức sau: m.cos( +  ) m − B.sin( +  ) − 2m.sin  + B.sin   =  + arctg − arcsin B − m.sin( +  ) m2 cos ( +  ) +  B − m.sin( +  )  Bảng 2: Bảng thơng số đường đặc tính thực tế: 𝛼 θ= 19 θ= 20 θ= 21 θ= 22 θ= 23 𝛽1 𝛽2 𝛽3 𝛽4 𝛽5 0 0 17 1,947 1,947 1,947 1,947 1,947 3,891 3,890 3,890 3,890 3,890 5,767 5,711 5,711 5,711 5,711 7,576 7,520 7,520 7,463 7,463 10 9,314 9,258 9,202 9,202 9,146 12 10,979 10,924 10,869 10,813 10,758 14 12,571 12,517 12,462 12,407 12,298 16 14,144 14,036 13,982 13,874 13,820 18 15,642 15,536 15,430 15,323 15,216 20 17,014 16,909 16,804 16,647 16,541 22 18,418 18,263 18,108 17,952 17,797 24 19,697 19,494 19,341 19,188 19,034 26 20,907 20,707 20,506 20,355 20,153 28 22,048 21,851 21,653 21,405 21,206 30 23,171 22,928 22,685 22,441 22,195 32 24,181 23,941 23,653 23,364 23,122 34 25,174 24,844 24,560 24,275 23,989 36 26,059 25,734 25,408 25,080 24,797 38 26,885 26,565 26,197 25,873 25,501 40 27,699 27,294 26,931 26,565 26,197 42 28,413 28,013 27,610 27,203 26,794 44 29,074 28,635 28,191 27,744 27,339 45 29,380 28,899 28,458 28,013 27,565 18 Đường đặc tính thực tế 35 30 Bê ta 25 19 độ 20 20 độ 21 độ 15 22 độ 10 23 độ lý thuyết 0 10 20 30 40 50 Alpha Từ bảng giá t rị th u ta xâ y dựn g đồ thị quan hệ   thực tế đồ thị quan hệ   lý thuyết Theo bảng giá trị ta chọn  cho sai lệch so với đường lý thuyết nhỏ nhỏ 10, ta chọn  = 190 Vậy ta có:  = 190 - Độ dài đòn bên m = 227,4 mm - Độ dài kéo ngang : n = B −  m  sin  = 1746,932(mm) - Góc quay lớn bánh xe dẫn hướng phía ngồi quanh trụ đứng tính theo cơng thức :  max  = arctg      ( Rng − a ) − L2 − B  L Trong : - L : chiều dài sở, L = 3612 mm - B : tâm vết bánh xe, B = 1895 mm - a: tay đòn lực cản lăn trụ đứng, xe tải nhẹ 19 a= 30  60 mm Chọn a = 60 mm - Rng : bán kính quay vịng nhỏ bánh xe ngồi, Rng = 9(m ) Thay số vào ta :    = 29 53 40  (9000 − 60)2 − 36122 − 1895     max = arctg 3612 - Góc quay lớn bánh xe dẫn hướng phía quanh trụ đứng tính theo công thức : cot g  max − cot g max = B L B 1895       max = ar cot g  cot g max x −  = arc cot g  cot g 29,53 −  = 38,52 L 3612    THIẾT KẾ TRỤC LÁI Trục lái làm thép rỗng tính theo ứng suất xoắn lực tác dụng vành lái: iugu  = Trong đó: ( Pl max R.D MN / m 4 0,2.( D − d ) ) - Plmax : lực lái lớn tác dụng lên vô lăng - D, d : đường kính đường kính ngồi trục lái -R :bán kính vành tay lái, R = 0,25m Chọn vật liệu chế tạo trục lái thép C40 không nhiệt luyện, phôi chế tạo phôi thép ống có ứng suất tiếp xúc cho phép   = 50  80MN / m Chọn sơ kích thước trục lái : D=30 (mm); d= 20 (mm) = 258,96  0,025  0,03 = 14,94 MN / m 4 0,2  0,03 − 0,02  10 ( ) thỏa mãn điều kiện Vậy ta chọn kích thước sơ kích thước thiết kế ( ) 20 KIỂM TRA BỀN CƠ CẤU LÁI Truyền động loại trục vít – lăn cần đảm bảo cho có độ bền uốn, tính tốn cần ý đến độ chống mòn độ bền tiếp xúc - Kiểm tra theo ứng suất chèn dập:  chd = T  700  800MN / m F Trong đó: T – lực dọc trục vít T= Với 2 Pmax R t - t – bước tr ục vít: t= m m : Mô đun dọc trục - P m a x – lực tác dụng l ớn n hất lên vơ l ăng - R – bá n kính vô l ăng, R = 0,25 m T=    258,96  0,25 = 51818(N ) 3,14  2,5 F - diện tíc h tiếp x úc trục vít với lăn F = (1 − sin 1 ).r12 + ( − sin  ).r22  = 23 ,  = 76 , r = d a /2 =30/2=15(mm), r = d a /2 =110/2=55(mm) 1=  76 180 =1,326;  =  230 180 =0,401  F=(1,326- 0,970 ).15 +(0,4- 0,39) 2,5 = 111,097 ( m m ) 1 Vậy: thay vào ta được:  cd = r1 ( 51818 = 466,422 N / mm 111,097 ) 2 r2