TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LÁI TRÊN Ô TÔ
Các hệ thống có trợ lực lái
- Để giảm nhẹ cường độ lao động cho người lái và tăng tính an toàn cho hệ thống điều khiển lái hầu hết các xe ô tô đều được trang bị trợ lực lái.
Người điều Hệ thống lái Bánh xe khiển
Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống lái có trợ lực
- Yêu cầu đặt ra đối với trợ lực là:
+ Khi bộ trợ lực hỏng thì hệ thống lái vẫn phải làm việc được. + Trợ lực lái phải giữ cho người lái có cảm giác sức cản của mặt đường khi quay vòng Điều này đồng nghĩa với khả năng trợ lực cần tăng cao khi mô men cản quay vòng lớn và ngược lại khả năng trợ lực cần giảm khi xe chuyển động với tốc độ cao.
- Hệ thống lái trợ lực trên xe hiện đại có các kiểu sau: trợ lực khí nén, trợ lực thủy lực, trợ lực điện [1].
1.3.1 Hệ thống lái trợ lực thuỷ lực
- Hệ thống lái trợ lực thủy lực là bộ trợ lực sử dụng một phần công suất động cơ để tạo ra áp suất dầu thủy lực hỗ trợ cho quá trình xoay các bánh xe dẫn hướng để chuyển hướng chuyển động của ô tô Khi xoay vô lăng, sẽ chuyển mạch một đường dầu tại van điều khiển.
Hình 1.5: Sơ đồ cấu tạo hệ thống lái trợ lực thủy lực
- Hệ thống gồm 3 phần chính: bơm dầu trợ lực (bơm cánh gạt), van điều khiển, xy lanh lực. Ưu nhược điểm của hệ thống:
- Thông qua đặc điểm làm việc của hệ thống lái trợ lực thuỷ lực ta thấy hệ thống có các ưu điểm, nhược điểm là như sau:
Với hệ thống lái trợ lực thuỷ lực đã giúp người lái điều khiển nhẹ nhàng hơn so với hệ thống lái không có trợ lực vì có thêm trợ lực tác động của piston-xy lanh lực lên thanh răng do áp suất dầu của bơm trợ lực gây ra Trong trường hợp xe bị nổ lốp hoặc xì hơi thì hệ thống đảm bảo được an toàn về hướng trong quá trình chuyển động
Trong hệ thống lái trợ lực thuỷ lực, nguồn năng lượng trợ lực được tạo thành do sự làm việc bơm dầu mà bơm dầu lại được dẫn động từ trục khuỷu của động cơ, sử dụng một phần công suất của động cơ Trong quá trình chuyển động, ngay cả khi xe chuyển động thẳng thì bơm dầu vẫn làm việc, điều này gây lãng phí công suất động cơ trong khi hệ thống lái không cần nguồn trợ lực Để đảm bảo được áp suất dầu trợ lực thì hệ thống cần yêu cầu về độ kín khít cao ở trên đường ống, van do đó thường xuyên phải kiểm tra sự rò rỉ dầu trong hệ thống lái Hệ thống làm việc ồn do tiếng kêu của bơm dầu và dầu chảy qua các đường ống, van Ngoài ra, dầu trợ lực lái khi thải ra còn là nguồn chất thải gây ô nhiểm môi trường [1].
Hệ thống trợ lực thủy lực mới chỉ đáp ứng được công dụng trợ lực cho người lái điều khiển nhẹ nhàng nên hệ thống còn có những hạn chế sau đây: + Hệ thống làm việc theo 2 thông số là momen và góc quay trục lái do người điều khiển tác dụng nên chỉ đáp ứng được mặt trợ lực mà chưa đáp ứng được tỉ số truyền lực thay đổi theo tốc độ của xe.
Hệ thống lái trợ lực thủy lực có áp suất và lưu lượng bơm phụ thuộc vào tốc độ động cơ Khi xe di chuyển ở tốc độ thấp, cần trợ lực lớn nhưng áp suất hệ thống thủy lực lại nhỏ do tốc độ động cơ thấp Điều này ảnh hưởng đến khả năng trợ lực Ngược lại, khi xe di chuyển ở tốc độ cao, lưu lượng và áp suất của bơm trợ lực lớn trong khi nhu cầu trợ lực lại thấp.
+ Về mặt tỷ số truyền động học bị hạn chế rất lớn đó là ở tốc độ thấp cần tỷ số truyền thấp để người lái quay vòng hiệu quả và ở tốc độ cao cần có tỷ số truyền động học cao vì lúc này mức phản ứng của xe rất nhạy nhưng hệ thống chưa đáp ứng được.
+ Trong khi quay vòng ngoặt người điều khiển vẫn phải đánh tay lái khá nhiều vòng.
+ Khi hệ thống trợ lực bị hỏng, lực điều khiển sẽ nặng hơn hệ thống không có trợ lực, vì lúc này còn phải thắng lực cản do dầu chuyển động trong hệ thống gây ra [1].
1.3.2 Hệ thống lái trợ lực điện
- Hệ thống lái trợ lực điện tạo mômen trợ lực nhờ môtơ trợ lực vận hành lái và giảm lực đánh lái.
Hình 1.6: Sơ đồ hệ thống lái trợ lực điên bố trí trên trục lái. 1: ECU điểu khiển; 2: Mô tơ trợ lực; 3: Cảm biến mô men.
Các bộ phận cơ bản của hệ thống lái trợ lực điện:
+ ECU điều khiển: ECU tiếp nhận các thông số tín hiệu của cảm biến mô men, cảm biến tốc độ động cơ, tín hiệu IG, tín hiệu tốc độ xe sau đó tính toán và điều khiển mô tơ trợ lực
+ Mô tơ trợ lực: Mô tơ trợ lực nối với trục lái bằng bộ giảm tốc trục vít – bánh vít và được điểu khiển bằng ECU, mô tơ có thể đảo chiều và quay ở các tốc độ khác nhau tùy theo mức độ đánh lái của người lái và mô men cản quay vòng.
+ Cảm biến mô men: cảm biến mô men được gắn vào phía trong trục lái, dựa vào hiệu ứng Hall để đưa ra điện áp tùy thuộc vào mô men đánh lái và mô men cản Điện áp ra của cảm biến sẽ được gửi vào ECU để điều khiển mô tơ trợ lực [1].
Hình 1.7: Sơ đồ tín hiệu điều khiển hệ thống lái trợ lực điện
Nguyên lý làm việc của hệ thống trợ lực lái là ECU tiếp nhận tín hiệu từ cảm biến mômen của trục lái và cảm biến tốc độ của xe, kết hợp với tín hiệu B+ và chế độ không tải để tính toán điều khiển mô tơ trợ lực phù hợp với điều kiện lái Càng đánh lái mạnh, mô tơ trợ lực càng lớn Tuy nhiên, mô men trợ lực sẽ giảm dần khi tốc độ xe tăng.
+ Trạng thái quay vòng: khi người điều khiển tác động quay vành lái, xuất hiện hiện tượng xoay tương đối giữa hai đầu thanh xoắn, cảm biến mô men thay đổi điện áp tùy theo chiều quay và độ lệch tương đối giữa hai đầu thanh xoắn sau đó truyền tín hiệu về ECU, kết hợp với tín hiệu tốc độ xe lấy từ cảm biến tốc độ mà ECU tính toán ra dòng điện điều khiển và chiều quay của mô tơ trợ lực cho phù hợp.
+ Trạng thái đi thẳng: trục lái không được tác động do đó không có hiện tượng xoay tương đối ở hai đầu thanh xoắn, cảm biến mô men không thay đổi điện áp, vì thế ECU không điều khiển mô tơ trợ lực và trạng thái đi thẳng được giữ nguyên [1]. Ưu nhược điểm của hệ thống lái trợ lực điện:
TÍNH TOÁN HỆ THỐNG LÁI XE HONDA CIVIC 1.8 AT 2013
GIỚI THIỆU XE
- Honda Civic phiên bản 2013 là một trong những mẫu xe bán chạy nhất thời điểm đó, được thiết kế lại hoàn toàn mới so với bản đời cũ Phần mũi xe oto nhiều nét giống dòng Accord Cụm đèn, tản nhiệt, cản trước nhìn đầy đặn có lực hơn hẳn Mũi xe thể thao hơn với lưới tản nhiệt rộng kiểu tổ ong cùng đường viền mạ crôm Đèn pha vuốt dài, nắp ca-pô thiết kế lại và một thanh ngang mạ crôm kéo dài suốt hốc gió được đặt thấp xuống Đuôi xe cũng khác hẳn, cụm đèn hậu dạng phân tầng, kích cỡ đèn lớn hơn, dài hơn nằm vắt ngang sau cốp.
Xe Civic 2013 sở hữu thiết kế vành hợp kim mới lạ và nội thất sử dụng vật liệu mềm mại hơn phiên bản năm 2012 Hệ thống thông tin giải trí được nâng cấp với kết nối Bluetooth rảnh tay, GPS, phát nhạc trực tuyến; bổ sung camera lùi, cổng USB và nút điều khiển trên vô lăng Tùy chọn cảnh báo lệch làn đường và va chạm được thêm vào Về an toàn, xe trang bị túi khí trước 2 tầng, hệ thống hỗ trợ cân bằng VSA tích hợp kiểm soát hành trình, cảnh báo áp suất lốp và nắp ca-pô hấp thụ xung lực giảm thương tích cho người đi bộ.
- Động cơ có 2 loại: i-VTEC 1.8L, 140 mã lực, mô-men xoắn 174Nm/4.300 vòng/phút Hộp số sàn 5 cấp hoặc tự động 5 cấp Bản Civic Si có động cơ 2.4L, 201 mã lực, mô-men xoắn 231Nm Hộp số sàn 6 cấp Honda Civic
2013 tiêu hao nhiên liệu trung bình 7,4 lít/100km Bản tiết kiệm Civic HF là 7,1 lít. Còn bản Civic Si là 7,6 lít/100 km Giá bán tại Mỹ từ 18.200 USD cho bản thấp nhất là Civic LX sedan [2].
Hình 2: Honda Civic 1.8 AT i-VTEC 2013
2.1 Đặc điểm kỹ thuật của xe Honda Civic 1.8 AT 2013
Bảng 2.1: Bảng các thông số kỹ thuật của xe Honda Civic
STT Thông số Trị số và đơn vị
2 Trọng lượng không tải 1240 KG
3 Trọng lượng toàn tải 1615 KG
4 Hộp số 5 số tự động
5 Kiểu xi lanh 1.8 lít siêu tăng áp
6 Dung tích xi lanh 1799 cc
7 Chiều dài cơ sở 2700 mm
8 Chiều dài toàn bộ 4525 mm
9 Chiều cao của xe 1450 mm
10 Chiều rộng của xe trước/sau 1500x1530 mm
11 Chiều rộng cơ sở 1755 mm
12 Khoảng cách sáng gần xe 170 mm
13 Bán kính quay vòng tối thiểu 5.8 m
14 Dung tích bình nhiên liệu 50 lít
Phanh - Giảm sóc - Lốp xe
16 Phanh trước Đĩa tản nhiệt
18 Giảm xóc trước Độc lập/lò xo
19 Giảm xóc sau Tay đòn kép/lò xo
21 Vành mâm xe Lazang đúc-15 inch
22 Động cơ 4 xi lanh thẳng hàng SOHC i-VTEC
23 Đường kính xi lanh 81 mm
24 Hành trình pit-tông 87.3 mm
27 Tốc độ tối đa 200 (km/h)
28 Hệ thống lái Dẫn động cầu trước
29 Kiểu lái Trợ lực điện tử
30 Momen xoắn cực đại 174/4300 Nm
31 Công suất cực đại 103/6300 Kw/rpm
33 Hệ thống nạp nhiên liệu EFI: Phun nhiên liệu điện tử
34 Mức tiêu hao nhiên liệu 10 lít/100Km
35 Tiêu chuẩn khí thải EURO 3
2.2 Tính toán động lực học
- Việc tính toán động lực học là nhằm mục đích phân phối tỷ số truyền của cơ cấu lái, làm tăng độ tin cậy cho ô tô khi tham gia giao thông, đông thời làm phù hợp với tốc độ của ô tô [3].
2.2.1 Tính mômen cản quay vòng
- Mômen cản quay vòng của bánh xe dẫn hướng được xác định khi ô tô quay vòng trên đường nhựa khô và đủ tải Mômen cản quay vòng lớn nhất khi xe chạy trên đường xấu, mặt đường nghiêng hoặc xe quay vòng tại chỗ.
Mômen cản quay vòng được xác định theo công thức [3]:
M c – mômen cản quay vòng tổng cộng;
M 1 – mômen cản quay vòng do lực cản lăn gây ra;
M 2 – mômen cản quay vòng khi có lực ngang Y;
M 3 – mômen ổn định gây nên bởi độ nghiêng ngang của trụ quay đứng.
2.2.2 Xác định mômen cản quay vòng M 1 do lực cản lăn gây ra
- Mômen cản quay vòng M1 sinh ra là do trong quá trình quay vòng mômen này gây nên bởi lực cản lăn của bánh xe với mặt đường Mômen này tác động lên đòn quay, qua cơ cấu lái tác dụng lên vành tay lái Về trị số nó được xác định bằng công thức sau [3]:
Hình 2.1: Sơ đồ đặt bánh xe dẫn hướng
G bx – tải trọng thẳng đứng tác dụng lên một bánh xe dẫn hướng Gbx=Gxe/440/410 KG f – hệ số cản lăn, chọn f = 0,02 e – cánh tay đòn lăn của bánh xe dẫn hướng, e0 mm = 0,13 m.
Vậy ta có: M1 = 310 0,02 0,13 = 0,806 (KG.m) 2.2.3 Xác định mômen cản M 2 do các lực ngang gây ra
- Khi quay vòng sẽ xuất hiện lực ngang Y Tổng hợp các lực thành phần của lực ngang sẽ dịch chuyển về phía sau so với tâm vết tiếp xúc một đoạn là x Giá trị của x thừa nhận bằng 1/4 chiều dài vết tiếp xúc [3] r
Hình 2.2: Sơ đồ lực ngang tác dụng lên bánh xe khi quay vòng Vậy ta có công thức sau [3]:
(2-3) Trong đó: r – bán kính tự do của bánh xe, Với bánh xe có cỡ lốp là: 195/65R15 / 2.1 Với B là chiều cao lốp : B = 0,65.195 6,75 (mm) Với d là đờng kính vành bánh xe : d = 15 (ins) = 15.25,4
R bx – bán kính làm việc của bánh xe :
Với: - hệ số biến dạng lốp, chọn = 0,93
R o – với lốp áp suất thấp
R bx =0,93.317,25)5 (mm) Thay các giá trị váo công thức (2 - 6) ta có: x=0.5 X,36 (mm)=0,05836 (m)
Mômen cản M 2 do bánh xe trượt lê được tính theo công thức:
Y – hệ số bám ngang, chọn Y = 0,7
- Để làm ổn định các bánh xe dẫn hướng, người ta làm các góc đặt bánh xe:
- góc nghiêng của trụ quay đứng trong mặt phẳng ngang của xe
- góc nghiêng của trụ quay đứng trong mặt phẳng dọc của xe
- góc chụm của bánh xe dẫn hướng
- góc nghiêng của bánh xe dẫn hướng.
Tất cả các góc này đều nhằm mục đích ổn định hệ thống lái, nhưng ngược lại lại làm xuất hiện mômen cản M3 Trong các tính toán, giá trị mômen cản M3 được tính đến bằng hệ số ma sát.
Như vậy, tổng mômen quay vòng của bánh xe dẫn hướng được xác định bằng công thức [3]:
- hệ số tính đến ảnh hưởng của M 3 do đầu trước của ụ tụ bị nõng lờn khi lỏi, = 1,07 á 1,15 Ta chọn = 1,1.
- hiệu suất tính đến tiêu hao do ma sát ở cam quay và các khớp nối trong chuyển động lái, với xe thiết kế có một cầu dẫn hướng ở phía trước,
Thay toàn bộ các giá trị trên vào công thức (3 – 8) ta có:
Vậy M c B,32 KG.m 2.2.4 Tính mômen cản quy dẫn tới vành tay lái
M cvl – mômen cản lớn nhất quy dẫn tới vành tay lái i c – tỷ số truyền cơ cấu lái, i c = 23,4 i d – tỷ số truyền của dẫn động lái, chọn i d =0,95 t - hiệu suất thuận của cơ cấu lái, chọn t = 0,72.
Thay các giá trị trên vào công thức (2 – 9), ta có:
* Lực tác dụng lớn nhất của người lái lên vành tay lái khi chưa có trợ lực [3]:
Với: Rvl – bán kính vành tay lái, Rvl = 0,25 m
M cvl – mômen cản lớn nhất quy dẫn tới vành tay lái
Như vậy, lực của người lái tác dụng lên vành tay lái để điều khiển xe là rất lớn, sẽ gây mệt mỏi cho người lái Vì vậy, để khắc phục nhược điểm trên cần thiết phải cải tiến hệ thống lái cơ khí thành hệ thống lái có cường hoá Nhằm mục đích để giảm sức lao động nặng nhọc cho người lái xe, đồng thời tăng sức cơ động của ô tô đảm bảo an toàn khi chuyển động.
2.3 Tính toán bộ truyền cơ cấu lái
2.3.1 Xác định bán kính vòng lăn của bánh răng
- Để xác định được bán kính vòng lăn của bánh răng ta có thể thực hiện theo các phương pháp sau:
+ Chọn trước đường kính vòng lăn của bánh răng từ đó tính ra vòng quay của bánh răng có phù hợp không Có nghĩa là ứng với số vòng quay (n) nào đó thì thanh răng phải dịch chuyển được một đoạn X 1 = 84,78 (mm).
