Đồ án tốt nghiệp thiết kế hệ thống lái 4ws – thiết kế hệ thống lái trước

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THƠNG VẬN TẢI KHOA CƠ KHÍ BỘ MƠN CƠ KHÍ Ơ TƠ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG LÁI 4WS – THIẾT KẾ HỆ THỐNG LÁI TRƯỚC Sinh viên : Võ Trường Tây Chuyên ngành : Cơ khí tơ Lớp: khí tơ Hệ : Chính quy Khóa: 58 Người hướng dẫn: PGS.TS.Trần Văn Như, ThS.Nguyễn Hữu Mạnh Hồ Chí Minh 8/2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GTVT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc Hà nội, ngày 19 tháng năm 2021 NHIỆM VỤ THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP BỘ MÔN : CƠ KHÍ Ơ TƠ KHOA : CƠ KHÍ Họ tên: Võ Trường Tây Lớp: CKO Khóa: 58 Tên đề tài: Thiết kế hệ thống lái 4WS – thiết kế hệ thống lái trước Tóm tắt yêu cầu nội dung đề tài: Nhóm sinh viên thực thiết kế hệ thống lái bốn bánh (4WS) gồm tính tốn thiết kế động học hệ thống lái 4WS, tính tốn thiết kế động học kết cấu hệ thống lái trước, tính tốn động học thiết kế cấu dẫn động lái sau Ngoài nhiệm vụ chung, sinh viên Võ Trường Tây thực nhiệm vụ riêng thiết kế hệ thống lái trước Số liệu cần thiết, tài liệu tham khảo cho đồ án tốt nghiệp: - Xe tham khảo Honda Prelude - Tài liệu thiết kế hệ thống lái - Tài liệu thiết kế chi tiết máy Các chương, mục thuyết minh: Chương Tổng quan Chương Phân tích kết cấu tính tốn thơng số hệ thống lái 4WS Chương Tính tốn thiết kế hệ thống lái trước Các vẽ chính: Bản vẽ tuyến hình xe tham khảo Sơ đồ chung hệ thống lái 4ws Bản vẽ sơ đồ tính tốn, kết tính tốn thơng số hệ thống lái Bản vẽ phương án thiết kế hệ thống lái trước Bản vẽ kết cấu cấu lái trước Sơ đồ tính tốn cấu dẫn động lái trước Các yêu cầu khác: Người hướng dẫn: - Giáo viên trường: PGS.TS Trần Văn Như - Cán sản xuất: 1) ThS Nguyễn Hữu Mạnh - Trường Cao đẳng Lý Tự Trọng 2) Ngày giao nhiệm vụ thiết kế tốt nghiệp: Ngày 19 tháng năm 2021 Ngày nộp thiết kế tốt nghiệp: Ngày 20 tháng năm 2021 T/L HIỆU TRƯỞNG TRƯỞNG KHOA TRƯỞNG BỘ MÔN PGS.TS Trần Văn Như GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN PGS.TS Trần Văn Như MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC HÌNH ii DANH MỤC BẢNG iii Chương 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG LÁI 1.1 Những vấn đề chung hệ thống lái 1.1.1 Công dụng hệ thống lái 1.1.2 Phân loại hệ thống lái 1.1.3 Yêu cầu hệ thống lái 1.1.4 Cấu tạo phần tử chủ yếu hệ thống lái 1.2 Trợ lực lái 11 1.2.1 Hệ thống lái trợ lực thủy lực 12 1.2.2 Hệ thống lái trợ lực điện 14 1.3 Giới thiệu ô tô Honda Prelude 17 Chương 2: PHÂN TÍCH KẾT CẤU VÀ TÍNH CÁC THƠNG SỐ CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG LÁI 4WS 21 2.1 Hệ thống lái bánh dẫn hướng 21 2.1.1 Hệ thống lái 4WS khí .21 2.1.2 Hệ thống lái 4WS thủy lực 23 2.1.3 Hệ thống lái 4WS điện – thủy lực .24 2.1.4 Hệ thống lái 4WS khí - điện – thủy lực 25 2.2 Lựa chọn phương án thiết kế 26 2.3 Các trạng thái chuyển động hệ thống 4WS 28 2.4 Tính tốn thơng số 30 2.4.1 Tính tốn tỉ số truyền hệ thống lái .31 2.4.2 Tỉ số truyền tương đương .34 2.4.3 Quan hệ góc quay bánh xe dẫn hướng 35 Chương 3: TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG LÁI TRƯỚC 38 3.1 Thông số đầu vào 38 3.2 Xác định lực tác dụng lên vành tay lái 38 Xác định lực tác dụng lên vành tay lái .39 3.3 Xác định thông số hình thang lái 43 3.3.1 Hình học giá đỡ bánh 45 3.3.2 Thiết kế dẫn động lái 48 3.4 Thiết kế cấu lái .51 3.4.1 Chọn vật liệu 51 3.4.2 Xác định kích thước thơng số .52 3.4.3 Tính tốn thơng số bánh 53 3.4.4 Tính bền cấu bánh – 53 3.5 Thiết kế kết cấu kiểm tra dẫn động lái .58 3.5.1 Tính bền khớp 58 3.5.2 Tính bền nối bên dẫn động lái 60 Tài liệu tham khẢo 63 i DANH M UC ̣ HÌ NH Hình1.1 Hệ thống lái ô tô Hình 1.2 Sơ đồ bố trí chung hệ thống lái hệ thống treo phụ thuộc Hình 1.3 Sơ đồ bố trí chung hệ thống lái hệ thống treo độc lập Hình 1.4 Vành tay lái trục lái Hình 1.5 Cơ cấu lái trục vít chốt quay Hình 1.6 Cấu tạo cấu lái trục vít lăn Hình 1.7 Cấu tạo cấu lái trục vít - êcu bi - - cung Hình 1.8.Cơ cấu trục vít – Hình 1.9 Sơ đồ hình thang lái hệ thống treo phụ thuộc Hình 1.10 Sơ đồ hình thang lái hệ thống treo độc lập 10 Hình 1.11 Kết cấu liên kết địn dẫn động ngang cụm khớp cầu 11 Hình 1.12: Sơ đồ nguyên lý hệ thống lái có trợ lực 11 Hình 1.13: Sơ đồ cấu tạo hệ thống lái trợ lực thủy lực 12 Hình 1.14: Sơ đồ hệ thống lái trợ lực điện bố trí trục lái 14 Hình 1.15: Sơ đồ tín hiệu điều khiển hệ thống lái trợ lực điện 15 Hình 1.16 Xe honda Prelude 17 Hình 2.1 Hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng 21 Hình 2.2 Sơ đồ cấu tạo cấu lái sau xe Honda Prelude 22 Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý hoạt động cấu lái sau 23 Hình 2.4 Hệ thống lái 4WS thủy lực 23 Hình 2.5 Hệ thống lái 4WS thủy lực- điện 24 Hình 2.6 Cấu tạo hệ thống lái khí- điện- thuỷ lực xe Mazda 626 4WS 25 Hình 2.7 Nguyên lý làm việc cấu lái sau 26 Hình 2.8 Sơ đồ bố trí chung hệ thống lái 4WS khí-điện 26 Hình 2.9 Kết cấu lái trước 27 Hình 2.10 Kết cấu lái sau 27 Hình 2.11 Sơ đồ điều khiển lái sau 28 Hình 2.12 Trạng thái quay vòng tốc độ thấp 29 Hình 2.13 Trạng thái quay vịng tốc độ trung bình 29 Hình 2.14 Trạng thái quay vịng tốc độ cao 30 Hình.2.15.Sơ đồ lực tác dụng lên xe tốc độ trung bình 31 Hình.2.16.Sơ đồ lực tác dụng lên xe tốc độ thấp 32 Hình.2.17.Sơ đồ lực tác dụng lên xe tốc độ cao 33 Hình 2.19.Đồ thị tỉ số truyền hệ thống lái vận tốc 35 Hình 2.20.Quan hệ góc quay bánh xe trước sau chiều 35 Hình 2.21.Quan hệ góc quay bánh xe trước sau ngược chiều 36 Hình 3.1 Sơ đồ đặt bánh xe dẫn hướng 39 Hình 3.2.Sơ đồ lực tác dụng lên bánh xe 41 Hình 3.3 Sơ đồ động học quay vịng xe với bánh dẫn hướng phía trước 44 Hình 3.4.Sơ đồ hình học lái 45 Hình 3.5 Sơ đồ động học hình thang lái xe thẳng 46 Hình 3.6 Sơ đồ hình học bánh xe bên quay vịng 47 Hình 3.7 Sơ đồ hình học bánh xe bên ngồi quay vịng 47 ii Hình 3.8 Đồ thị đặc tính hình học hình thang lái 51 Hình 3.9: Kích thước hình học 52 Hình 3.10: Sơ đồ tính bền địn ngang 58 DANH MỤC BẢNG Bảng 1-1 Thông số kỹ thuật xe Honda Prelude 1987 17 Bảng 2-1 Thơng số kích thước xe 30 Bảng 2-2.Tỉ số truyền hệ thống lái 2ws tương đương 34 Bảng 3-1 Các thông số dùng để tính tốn 38 Bảng 3-2 Quan hệ theo lý thuyết 48 Bảng 3-3 Giá trị thông số dẫn động lái 49 Bảng 3-4 Quan hệ theo lý thuyết 50 iii LỜI NÓI ĐẦU Trên tảng đất nước đà phát triển lớn mạnh kinh tế thay da đổi thịt q trình cơng nghiệp hóa đại hóa đất nước hội nhập ngành công nghiệp công nghiệp, kĩ thuật ô tô nước ta ngày trọng phát triển Một số vấn đề lớn đặt hội nhập, tiếp thu công nghệ phát triển vào việc lắp ráp sản xuất sử dụng bảo dưỡng xe Ôtô Hệ thống lái hệ thống quan trọng Ơtơ dùng để thay đổi hướng chuyển động Ôtô giữ cho Ôtô chuyển động xác định theo hướng Một hệ thống lái hồn thiện kết cấu, điều khiển dễ dàng giúp ta điều khiển xe dễ dàng, thoải mái đảm bảo an tồn xe q trình vận hành khai thác Đồng thời cịn nâng cao tính tiện nghi, đại xe Đáp ứng nhu cầu hiểu biết ứng dụng khoa học kĩ thuật đại Em giao nhiệm vụ “ Thiết kế hệ thống lái 4W S – thiết kế hệ thống lái trước ” Đề tài bao gồm phần sau: Chương Tổng quan Chương Phân tích kết cấu tính tốn thơng số hệ thống lái 4WS Chương Tính tốn thiết kế hệ thống lái trước Sau nhận đề tài này, hướng dẫn giúp đỡ nhiệt tình thầy Trầ Văn Như thầy Nguyễn Hữu Mạnh em hoàn thành đồ án tốt nghiệp Tuy nhiên, trình độ thời gian tìm hiểu cịn nhiều hạn chế, kính mong nhận đóng góp ý kiến thầy để đề tài ho àn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên thực Võ Trường Tây CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG L ÁI 1.1 Những vấn đề chung hệ thống lái 1.1.1 Công dụng hệ thống lái Hình1.1 Hệ thống lái tô Hệ thống lái hệ thống điều khiển hướng chuyển động xe, đảm bảo giữ nguyên thay đổi hướng chuyển động ô tô vị trí Hệ thống lái có chức tiếp nhận tác động người điều khiển, thông qua cấu dẫn động thực điều khiển bánh xe chuyển động theo quỹ đạo mong muốn việc điều khiển phải đảm bảo tính linh hoạt nhanh chóng xác Hệ thống lái thơng dụng bao gồm cấu điều khiển (vành lái, trục lái), cấu lái đòn dẫn động tạo khả chuyển hướng cho bánh xe xung quanh trụ đứng Trong q trình chuyển động, hệ thống lái có ý nghĩa quan trọng thơng qua việc nâng cao an tồn điều khiển chất lượng chuyển động hệ thống lái ngày hoàn thiện xe chạy đạt tốc độ lớn 1.1.2 Phân loại hệ thống lái Hệ thống lái phân loại theo nhiều cách khác nhau: - Theo phương pháp chuyển hướng: + Chuyển hướng bánh xe dẫn hướng phía trước + Chuyển hướng tất bánh xe dẫn hướng phía trước, phía sau + Chuyển hướng cầu xe: xe rơmooc + Chuyển hướng thân xe: máy cơng trình - Theo cách bố trí vành tay lái: + Bố trí vành tay lái bên trái (đối với nước có luật giao thông quy định chiều chuyển động bên phải) + Bố trí vành tay lái bên phải (khi chiều chuyển động bên trái nước ANH, NHẬT, - Theo đặc điểm truyền lực: + Hệ thống lái khí + Hệ thống lái khí có trợ lực:  Trợ lực thuỷ lực: với loại van khác  Trợ lực khí (có chân khơng)  Trợ lực điện  Trợ lực khí - Theo kết cấu hệ thống đòn dẫn động lái: + Phù hợp với hệ thống treo phụ thuộc + Phù hợp với hệ thống treo độc lập - Theo cách biến đổi kiểu truyền động (phụ thuộc vào kết cấu cấu lái): + Biến chuyển động quay hệ thống điều khiển thành chuyển động quay đòn  Trục vít – bánh vít  Trục vít – êcu bi + Biến chuyển động quay hệ thống điều khiển thành chuyển động tịnh tiến đòn điều khiển  Bánh (trục răng) – 1.1.3 Yêu cầu hệ thống lái Hệ thống lái có vai trị trì đổi hướng chuyển động Do yêu cầu hệ thống lái là: - Đảm bảo động học quay vòng - Lực tác dụng lên vành tay lái đảm bảo dễ dàng điều khiển có cảm giác lái - Đảm bảo khả bánh xe dẫn hướng trở lại vị trí chuyển động thẳng thơi lực tác dụng lên vành tay láicó cảm giác lái - Đảm bảo khả bánh xe dẫn hướng trở lại vị trí chuyển động thẳng lực tác dụng lên vành tay láicó cảm giác lái - Đảm bảo khả bánh xe dẫn hướng trở lại vị trí chuyển động thẳng lực tác dụng lên vành tay lái - Giảm thiểu va đập từ mặt đường lên vành tay lái làm tay lái rung 1.1.4 Cấu tạo phần tử chủ yếu hệ thống lái 1.1.4.1 Sơ đồ bố trí chung hệ thống lái a Sơ đồ bố trí chung hệ thống lái hệ thống treo phụ thuộc Hình 1.2 Sơ đồ bố trí chung hệ thống lái hệ thống treo phụ thuộc 1: Vành tay lái; 2: Trục lái; 3: Cơ cấu lái; 4: Đòn quay đứng; 5: Đòn kéo dọc; 6:Đòn quay trên; 7,9: Đòn quay bên; 8: Đòn ngang liên kết; 10: Dầm cầu; 11,12: Bánh xe dẫn hướng - Ứng suất tiếp xúc cho phép truyền bánh - răng: (3-7) Trong đó: + SH: Là hệ số an toàn ; lấy SH = 1,1 + ZR: Hệ số xét ảnh hưởng độ nhám; Z R = 0,95 + ZV: Hệ số xét ảnh hưởng vận tốc vòng; Z V = 1,1 + KXH: Hệ số xét ảnh hưởng kích thước bánh răng; KXH = + KF: Hệ số xét ảnh hưởng độ độ bôi trơn; K F = => Thay thông số vào công thức ( 3-7) ta được: (N/mm2) 3.4.4.2 Ứng suất uốn cho phép Giới hạn bền mỏi uốn truyền bánh răng- răng: (3-8) Chọn = 1; Với truyền quay hai chiều ta chọn = 0.7 (N/mm2)  Ứng suất uốn cho phép truyền bánh - răng: (3-9) Trong đó: + YR = 1; KXF = 54 + SF: Là hệ số an toàn; lấy SF = 1,7 + YS: Là hệ số xét tới ảnh hưởng mô đun với m = 2,5 ta chọn Y S = 1,03 (N/mm2) Thay vào công thức (3-9) ta : 3.4.4.3 Kiểm nghiệm độ bền truyền bánh – Kiểm nghiệm độ bền tiếp xúc: (3-10) Trong đó: + ZM: hệ số kể đến tính vật liệu Vật liệu cấu thép nên chọn ZM = 274 + α : góc prơfin gốc Theo TCVN 1056 -71 α = 20 o + ZH: hệ số kể đến hình dạng bề mặt tiếp xúc : ZH = + Zε : hệ số kể đến trùng khớp +  hệ số trùng khớp ngang,  tính theo cơng thức sau : + KHv: hệ số tải trọng động Với cấp xác ta chọn theo bảng P2.3 [3] → + KHα : hệ số kể đến phân bố không tải trọng cặp ăn khớp Tra bảng 6.14 [3]→ K Hα = 1,13 55 + KHβ : hệ số kể đến phân bố không tải trọng chiều rộng vành Tra bảng 6.7 [3] → KHβ = 1,02 + Chiều rộng vành : b w = 14 (mm) + Đường kính vịng lăn : d  = bw/ψd Tra bảng 6.6[3] ψd = 0,6 → d  = 14/0,6 =23,3 Lấy dw = 23 (mm) Thay thông số vào công thức (3-10) ta : (N/mm2) (N/mm2) => thoả mãn điều Thấy kiện tiếp xúc 3.4.4.4 Kiểm nghiệm độ bền uốn (3-11) Trong đó: + YF : hệ số dạng Với hệ số dạng dịch chỉnh  = 0,5 số tương đương: Theo bảng 6.18 [3]: + KF : hệ số kể đến phân bố không tải trọng chiều rộng vành Tra bảng 6.7 [3] ta K F = 1,08 + KFα: hệ số kể đến phân bố không tải trọng cho đôi đồng thời ăn khớp Tra bảng 6.14 [3] ta K Fα = 1,37 + KFv: hệ số kể đến tải trọng động tính uốn 56 (3-12) Với F : hệ số kể đến ảnh hưởng sai số ăn khớp,tra bảng 6.15 ta có: F = 0,006 go: hệ số kể đến ảnh hưởng sai lệch bước răng, tra bảng 6.16 → g o =73 v: vận tốc dài răng, coi v =1(m/s) Thay vào VF ta được:  vF = 0,006.73.1 Thay số vào biểu thức ( 3-12) ta được: 1,026 + Yβ: hệ số kể đến độ nghiêng + Yε: hệ số kể đến trùng khớp Yα = 1/εα = 1/1,7 = 0,59 Thay thông số vào công thứ c (3-11) ta được:  F  F  858 N mm => Thỏa mãn điều kiện bền uốn Vậy điều kiện bền thoả mãn , Bộ truyền bánh – đảm bảo đủ bền trình làm việc 57 3.5 Thiết kế kết cấu kiểm tra dẫn động lái 3.5.1 Tính bền khớp Hình 3.10: Sơ đồ tính bền địn ngang Trong qua trình làm việc thước lái chịu kéo nén theo phương dọc trục Đòn ngang kiểm tra theo uốn dọc lực N gây Lực N xác định theo giá trị lực phanh công thức sau: (3-13) Ở đây: G1: Khối lượng phân bố lên trục trước G1 = 7227 N Xp-lực phanh tác dụng lên bánh xe - hệ số phân bố lại trọng lượng lên cầu dẫn hướng phanh m1 p  1.4 φ - hệ số bám lốp với đường (lấy φ=0,8) 58 Với: Bt: Chiều rộng vết bánh trước xe B t = 1525 (mm) B: Khoảng tâm hai trụ đứng cầu dẫn hướng B = 1293mm Thay giá trị vào cơng thức (3-13) ta có: = Thước lái chế tạo théo ống CT20 có đường kính D = 30 mm; d = 22 mm Ứng suất đòn kéo ngang xác định theo công thức: (3-14) Fn – tiết diện ngang đòn kéo ngang Fn = Mặt khác : [b] = 350 (KG/cm2) = 35 (N/mm2) Thay số vào cơng thức (3-12) ta được: (N/mm2) => Vậy địn kéo ngang đảm bảo điều kiện bền ổn định 59 3.5.2 Tính bền nối bên dẫn động lái Để đảm bảo an tồn tính ổn định q trình làm việc, địn bên làm thép 20X Địn có chiều dài X chịu mơ men uốn mô men cản quay bên bánh xe (Mc/2) Do ta tính theo điều kiện bền uốn Ta tính ứng suất tiết diện nguy hiểm chỗ giao hai (3-16) tiết diện cầu trước địn bên: (3-17) Trong đó: Với vật liệu chọn ta có b = 35mm, h = 25mm  Thay vào biểu thức (3-16) ta có: Với thép 20X ta có: Vậy  Thoả mãn điều kiện bền uốn Địn có chiều dài Y chịu kéo (do chốt đầu) lực dọc trục có N.cos (epsilon), epsilon góc thước lái địn này, góc nhỏ nên lực dọc trục tác dụng lên đòn lấy xấp xỉ N (lực dọc trục tác dụng lên thước lái) 60 Ta tính ứng suất tiết diện nguy hiểm chỗ giao hai tiết diện cầu trước địn bên: (3-16) (3-17) Trong đó: Với vật liệu chọn ta có b = 35mm, h = 25mm Thay vào biểu thức (3-16) ta có: Với thép 20X ta có: Vậy 61 KẾT LUẬN Sau tháng nhận đề tài, với nỗ lực thân hướng dẫn, giúp đỡ nhiệt tình thầy giáo Trần Văn Như thầy Nguyễn Hữu Mạnh em hồn thành đồ án tốt nghiệp Đề tài thu được số kết sau: - Tìm hiểu hệ thống lái tơ nói chung tơ HONDA PRELUDE nói riêng - Thiết kế cấu lái bánh - không trợ lực dựa xe sở HONDA PRELUDE Vì điều kiện thời gian có hạn, trình độ kinh nghiệm cịn hạn chế mà khối lượng cơng việc lớn chất lượng đồ án hạn chế, cịn nhiều thiếu sót phần tính tốn Rất mong đóng góp ý kiến thầy mơn để đồ án em hồn chỉnh Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn thầy mơn khí tơ bảo em thời gian làm đồ án Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Trần Văn Như thầy Nguyễn Hữu Mạnh tận tình bảo em để em hồn thành đồ án Sinh viên thực Võ Trường Tây 62 TÀI LIỆU THAM KHẢ O [1] Trịnh Chí Thiện, Tơ Đức Long, Nguyễn Văn Bang, Kết cấu tính tốn ơtơ, NXB Giao Thông Vận Tải Hà Nội [2] Phạm Minh Thái, Hướng dẫn làm đồ án môn học Thiết kế hệ thống lái ôtô – máy kéo, Trường Đại Học Bách Khoa – 1991 [3] Trịnh Chất, Lê Văn Uyển, Tính tốn thiết kế hệ dẫn động khí tập 1, 2, Nhà xuất Giáo dục [4] Nguyễn Hữu Cẩn, Dư Quốc Thịnh, Phạm Minh Thái, Nguyễn Văn Tài, Lê Thị Vàng, Lý thuyết ô tô máy kéo, NXB Khoa học kỹ thuật [5] Hồng Đình Long, Kỹ Thuật sửa chữa ôtô, Nhà xuất Giáo dục [6] Vũ Đình Lai, Nguyễn Xuân Lựu, Bùi Đình Nghi, Sức bền vật liệu, NXB Giao Thông Vận tải [7].Mathematical Model to Design Rack And Pinion Ackerman Steering Geomtery, Tạp chí Quốc tế Nghiên cứu Khoa học & Kỹ thuật, Tập 5, Số 9, Tháng 9-2014 63