Công dụng hệ thống láiHình1.1 Hệ thống lái trên ô tôHệ thống lái là hệ thống điều khiển hướng chuyển động của xe, đảm bảo giữ nguyên hoặc thay đổi hướng chuyển động của ô tô ở một vị trí
TỔNG QUAN HỆ THỐNG LÁI
Công dụng hệ thống lái
Hình1.1 Hệ thống lái trên ô tô
Hệ thống lái là bộ phận quan trọng trong ô tô, có chức năng điều khiển hướng di chuyển của xe, giúp duy trì hoặc thay đổi hướng di chuyển tại một vị trí nhất định.
Hệ thống lái đóng vai trò quan trọng trong việc tiếp nhận tác động từ người điều khiển, thông qua các cơ cấu dẫn động để điều khiển bánh xe di chuyển theo quỹ đạo mong muốn Việc điều khiển này cần phải đảm bảo tính linh hoạt, nhanh chóng và chính xác.
Hệ thống lái thông dụng bao gồm các thành phần chính như cơ cấu điều khiển (vành lái, trục lái), cơ cấu lái và các đòn dẫn động, giúp tạo khả năng chuyển hướng cho bánh xe xung quanh trụ đứng.
Hệ thống lái đóng vai trò quan trọng trong quá trình chuyển động của xe, nâng cao an toàn điều khiển và cải thiện chất lượng di chuyển Do đó, việc hoàn thiện hệ thống lái ngày càng trở nên cần thiết, đặc biệt là khi xe vận hành ở tốc độ cao.
Phân loại hệ thống lái
Hệ thống lái có thể phân loại theo nhiều cách khác nhau:
- Theo phương pháp chuyển hướng:
+ Chuyển hướng bánh xe dẫn hướng phía trước.
+ Chuyển hướng tất cả các bánh xe dẫn hướng phía trước, phía sau.
+ Chuyển hướng cầu xe: xe rơmooc.
+ Chuyển hướng thân xe: máy công trình.
- Theo cách bố trí vành tay lái:
+ Bố trí vành tay lái bên trái (đối với các 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 như ở nước ANH, NHẬT,
- Theo đặc điểm truyền lực:
+ Hệ thống lái cơ khí.
+ Hệ thống lái cơ khí có trợ lực:
Trợ lực thuỷ lực: với các loại van khác nhau.
Trợ lực khí (có cả chân không).
- Theo kết cấu của 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 cơ cấu lái):
+ Biến chuyển động quay của hệ thống điều khiển thành chuyển động quay của các đòn.
+ Biến chuyển động quay của hệ thống điều khiển thành chuyển động tịnh tiến của đòn điều khiển.
Bánh răng (trục răng) – thanh răng.
Yêu cầu hệ thống lái
Hệ thống lái có vai trò duy trì hoặc đổi hướng chuyển động Do đó yêu cầu cơ bản đối với hệ thống lái là:
- Đảm bảo động học quay vòng đúng
- Lực tác dụng lên vành tay lái đảm bảo dễ dàng điều khiển và có cảm giác lái
- Đảm bảo khả năng bánh xe dẫn hướng trở lại vị trí chuyển động thẳng khi thôi lực tác dụng lên vành tay láicó cảm giác lái
- Đảm bảo khả năng bánh xe dẫn hướng trở lại vị trí chuyển động thẳng khi thôi lực tác dụng lên vành tay láicó cảm giác lái
- Đảm bảo khả năng bánh xe dẫn hướng trở lại vị trí chuyển động thẳng khi thôi lực tác dụng lên vành tay lái
- Giảm thiểu các va đập từ mặt đường lên vành tay lái làm tay lái rung
Cấu tạo các 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 trên hệ thống treo phụ thuộc.
Hình 1.2 Sơ đồ bố trí chung hệ thống lái trên 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.
Hệ thống lái bao gồm các thành phần chính như vành lái, trục lái, cơ cấu lái, bộ phận trợ lực lái và giảm chấn (nếu có) Sơ đồ bố trí chung của hệ thống lái được thiết kế trên hệ thống treo độc lập, đảm bảo hiệu suất và tính ổn định trong quá trình vận hành.
Hình 1.3 Sơ đồ bố trí chung hệ thống lái trên hệ thống treo độc lập.
Ngõng trục bánh xe (1, 11) và khớp cầu trên (2) là những thành phần quan trọng trong hệ thống lái Đòn dẫn động lái (3, 12, 13, 14, 15) tạo ra sự điều khiển chính xác cho hình thang lái Giá đỡ trục quay phụ (4) cùng với giá đỡ hệ thống lái (5, 9) hỗ trợ cho cơ cấu lái (6) hoạt động hiệu quả Trục lái (7) và vành lái (8) kết hợp với đầu nối đòn dẫn động (10) để đảm bảo sự linh hoạt và an toàn trong việc điều khiển phương tiện.
Hệ thống treo độc lập cho phép bánh xe di chuyển độc lập, do đó, dẫn động lái cần đảm bảo không làm ảnh hưởng đến khả năng dịch chuyển của hệ thống treo Đồng thời, nó phải đảm bảo khả năng chuyển hướng cho các bánh xe dẫn hướng ở cầu trước Để đạt được điều này, dẫn động lái trong hệ thống treo độc lập sử dụng các đòn chia cắt, và các đòn dẫn động phải tuân thủ nguyên tắc động học Ackerman, với hình dáng cơ bản là hình thang lái Đantô.
1.1.4.2 Cấu tạo các phần tử hệ thống lái
A Vành tay lái và trục lái:
Vành tay lái đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra mômen điều khiển cho hệ thống lái Mômen này được tính bằng cách nhân lực mà người lái tác động với bán kính của vành lái.
Trục lái có nhiệm vụ truyền mômen điều khiển từ vành lái đến cơ cấu lái.
Trên vô lăng và trục lái của ô tô thường được trang bị các thiết bị điều khiển thiết yếu như còi, công tắc điện cho đèn và gạt nước mưa, nhằm hỗ trợ quá trình điều khiển và sử dụng xe.
Hình 1.4 Vành tay lái và trục lái.
1: Vành tay lái; 2: Ống trượt trục lái; 3: Trục lái; 4: Cơ cấu trượt trục l ái
Trục lái thường có hai loại: Trục lái có thể thay đổi góc nghiêng và trục lái không thay đổi được góc nghiêng.
Trục lái có khả năng điều chỉnh góc nghiêng, cho phép người lái dễ dàng thay đổi vị trí vô lăng theo chiều dọc Điều này giúp tối ưu hóa sự thoải mái và phù hợp với chiều cao cũng như sở thích cá nhân của từng tài xế.
Trục lái không thay đổi được góc nghiêng, hay còn gọi là trục lái trượt, cho phép người lái điều chỉnh vị trí vô lăng theo chiều dọc, phù hợp với chiều cao và sở thích cá nhân của từng tài xế.
Mômen lái và góc quay từ vô lăng được truyền tới bánh xe qua thanh dẫn động lái, giúp xe thực hiện các vòng quay Cơ cấu lái được gắn chặt với thân xe, đảm bảo sự ổn định và chính xác trong việc điều khiển.
Các loại cơ cấu lái thường được sử dụng:
- Cơ cấu lái trục vít chốt quay:
Cơ cấu lái trục vít chốt quay cho phép điều chỉnh tỷ số truyền theo nhu cầu, giúp tăng hiệu suất hoạt động Để giảm độ mòn của trục vít và chốt quay, chốt được lắp đặt trong ổ bi, từ đó nâng cao độ bền và hiệu quả sử dụng của hệ thống.
Cơ cấu lái trục vít chốt quay có 2 loại:
+ Cơ cấu lái trục vít và một chốt quay.
+ Cơ cấu lái trục vít và hai chốt quay.
Hình 1.5 Cơ cấu lái trục vít chốt quay.
- Cơ cấu lái trục vít con lăn:
Trên các loại xe trước đây, cơ cấu lái này được sử dụng phổ biến nhờ vào những ưu điểm như tỷ số truyền lớn, kết cấu đơn giản, dễ bảo trì và chi phí thấp Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất là khó khăn trong việc bố trí trợ lực lái.
Hình 1.6 Cấu tạo cơ cấu lái trục vít con lăn.
1,5: Ổ bi đỡ trục vít; 2: Trục vít; 3: Ốc đổ dầu; 4: vỏ cơ cấu lái
6: Trục con lăn; 7: Ổ bi kim; 8: Con lăn; 9: Trục bị động
10: Đòn quay đứng; 11:Khớp cầu liên kết đòn quay đứng với đòn kéo dọc
12: Gíá đỡ cơ cấu lái; 13: Đệm điều chỉnh độ dơ trục vít;
14: Nắp đậy; 15,16: Đai ốc và đệm điều chỉnh độ dơ trục bị động
- Cơ cấu lái trục vít–êcubi – thanh răng – cung răng:
Trục vít được hỗ trợ bởi ổ bi đỡ chặn, với trục vít quay quanh tâm và êcu bi ôm ngoài thông qua các viên bi ăn khớp, tạo thành bộ truyền trục vít – êcu Bên ngoài êcu có các răng dạng thanh răng, trong khi trục bị động mang theo cung răng ăn khớp với thanh răng, hình thành bộ truyền thanh răng bánh răng Trong hệ thống này, trục vít đóng vai trò chủ động, còn cung răng đảm nhận vai trò bị động.
Hình 1.7 Cấu tạo cơ cấu lái trục vít - êcu bi - thanh răng - cung răng
1: Cung răng và trục bị động; 2,13,19: Vòng làm kín; 3: Ổ thanh lăn kim;4,12,14: Nắp; 5: Đai ốc hãm; 6: Vít điều chỉnh; 7: Ốc xả dầu; 8: Đai ốc điều chỉnh; 9: Tấm chặn; 10: Bulông; 11: Chốt của đai ốc;15: Ổ bi; 16: Vỏ cơ cấu lái; 17: Trục vít; 18: Nút đổ dầu; 20: đai ốc thanh răng.
Cơ cấu trục vít – thanh răng :
Thay đổi chuyển động quay của vôlăng thành chuyển động sang trái hay phải của thanh răng. Ưu điểm:
+ Cấu tạo đơn giản, gọn nhẹ.
Hộp truyền động nhỏ khiến thanh răng trở thành bộ phận dẫn động lái quan trọng Sự ăn khớp trực tiếp giữa các răng mang lại độ nhạy cao, đảm bảo cơ cấu lái hoạt động rất chắc chắn.
+ Ít quay trượt và ít sức cản quay, và truyền mômen tốt nên lái nhẹ.
+ Cụm cơ cấu lái hoàn toàn kín nên không cần phải bảo dưỡng.
Hình 1.8.Cơ cấu trục vít – thanh răng.
1 Vôlăng; 2 Trục lái chính và ống trục lái; 3 Cơ cấu lái; 4 Vỏ thanh răng; 5 Trục vít;6 Thanh răng
Hệ dẫn động lái có nhiệm vụ truyền động từ cơ cấu lái đến bánh xe dẫn hướng, đảm bảo mối quan hệ chính xác giữa các góc quay của bánh xe khi thực hiện quay vòng Điều này giúp ngăn chặn hiện tượng trượt bên ở tất cả các bánh xe và tạo sự liên kết chặt chẽ giữa các bánh xe dẫn hướng.
- Hệ thống dẫn động lái trên hệ thống treo phụ thuộc.
Hình 1.9 Sơ đồ hình thang lái trên hệ thống treo phụ thuộc.
- Hệ dẫn động lái trên hệ thống treo độc lập.
Hình 1.10 Sơ đồ hình thang lái trên hệ thống treo độc lập.
1: Đòn quay; 2: Đòn đỡ; 3: Thanh lái; 4: Thanh ngang
Trợ lực lái
Trợ lực lái giúp giảm bớt sức lao động của người lái khi điều khiển xe, đặc biệt là với những xe có tải trọng lớn và mô men cản quay vòng cao Nó không chỉ nâng cao an toàn khi gặp sự cố như nổ lốp hoặc áp suất lốp thấp mà còn giảm tải trọng va đập lên vành lái, từ đó tăng cường tính tiện nghi và êm dịu trong quá trình điều khiển.
Hình 1.12: 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 đóng vai trò quan trọng trong việc giữ cho người lái cảm nhận được sức cản của mặt đường khi xe quay vòng Cần tăng cường trợ lực khi mô men cản quay vòng lớn và giảm trợ lực khi xe di chuyển 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.
1.2.1 Hệ thống lái trợ lực thủy lực
Hệ thống lái trợ lực thủy lực sử dụng công suất động cơ để tạo áp suất dầu, giúp hỗ trợ quá trình xoay bánh xe và điều hướng ô tô Khi người lái xoay vô lăng, dầu sẽ được chuyển qua van điều khiển, tạo ra lực hỗ trợ cần thiết cho việc chuyển hướng.
Hình 1.13: 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:
Hệ thống lái trợ lực thuỷ lực giúp người lái điều khiển xe dễ dàng hơn so với hệ thống không có trợ lực, nhờ vào tác động của piston-xy lanh lực lên thanh răng do áp suất dầu từ bơm trợ lực Trong trường hợp xe bị nổ lốp hoặc xì hơi, hệ thống này đảm bảo an toàn về hướng trong quá trình di chuyển.
Trong hệ thống lái trợ lực thủy lực, năng lượng trợ lực được cung cấp bởi bơm dầu, hoạt động nhờ vào trục khuỷu của động cơ, tiêu tốn một phần công suất của động cơ Khi xe di chuyển, bơm dầu vẫn hoạt động ngay cả khi xe đi thẳng, dẫn đến lãng phí công suất trong khi không cần trợ lực Hệ thống yêu cầu độ kín cao để duy trì áp suất dầu, do đó cần kiểm tra thường xuyên để phát hiện rò rỉ Ngoài ra, hệ thống này phát ra tiếng ồn từ bơm và dầu chảy qua các ống, van, và dầu thải ra cũng gây ô nhiễm môi trường.
Hệ thống trợ lực thủy lực hiện tại chỉ hỗ trợ người lái trong việc điều khiển một cách nhẹ nhàng, tuy nhiên vẫn tồn tại một số hạn chế cần cải thiện.
Hệ thống điều khiển hoạt động dựa trên hai thông số chính là mô men và góc quay của trục lái, do người điều khiển tác động Tuy nhiên, hệ thống này chỉ cung cấp trợ lực mà chưa điều chỉnh được tỷ số truyền lực theo tốc độ của xe.
Hệ thống lái trợ lực thủy lực hoạt động với áp suất và lưu lượng bơm phụ thuộc vào tốc độ động cơ Khi xe di chuyển ở tốc độ thấp, đặc biệt là khi quay vòng, cần một lượng trợ lực lớn, nhưng áp suất trong hệ thống thủy lực lại thấp do tốc độ động cơ chậm, dẫn đến chất lượng trợ lực không đảm bảo Ngược lại, khi xe chạy ở tốc độ cao, lưu lượng và áp suất của bơm trợ lực tăng lên, trong khi yêu cầu về trợ lực lại giảm.
Tỷ số truyền động học của xe bị hạn chế ở cả tốc độ thấp và cao Ở tốc độ thấp, cần có tỷ số truyền thấp để người lái có thể quay vòng hiệu quả Ngược lại, ở tốc độ cao, tỷ số truyền động học cần phải cao để đảm bảo mức phản ứng nhạy bén của xe, nhưng hệ thống hiện tại vẫn chưa đáp ứng được yêu cầu này.
+ 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 trở nên nặng nề hơn so với hệ thống không có trợ lực, do phải vượt qua lực cản từ dầu trong hệ thống.
1.2.2 Hệ thống lái trợ lực điện
Hệ thống lái trợ lực điện tạo mô men trợ lực nhờ motor trợ lực vận hành lái và giảm lực đánh lái.
Hình 1.14: Sơ đồ hệ thống lái trợ lực điện bố trí trên trục lái.
1: ECU điều 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 là bộ phận quan trọng trong hệ thống, tiếp nhận các thông số tín hiệu từ cảm biến mô men, cảm biến tốc độ động cơ, tín hiệu IG và tốc độ xe Sau đó, ECU sẽ tiến hành tính toán và điều khiển mô tơ trợ lực để đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.
Mô tơ trợ lực được kết nối với trục lái thông qua bộ giảm tốc trục vít – bánh vít, và được điều khiển bởi ECU Mô tơ này có khả năng đảo chiều và điều chỉnh tốc độ quay linh hoạt, tùy thuộc vào mức độ đánh lái của người lái cũng như mô men cản khi quay vòng.
Cảm biến mô men được lắp đặt bên trong trục lái, sử dụng hiệu ứng Hall để tạo ra điện áp tương ứng với mô men đánh lái và mô men cản Điện áp từ cảm biến sẽ được truyền đến ECU để điều khiển mô tơ trợ lực.
Hình 1.15: Sơ đồ tín hiệu điều khiển hệ thống lái trợ lực điện
Nguyên lý hoạt động của hệ thống lái điện dựa trên việc ECU nhận các tín hiệu quan trọng từ cảm biến mômen trục lái, cảm biến tốc độ xe và tín hiệu B + trong chế độ không tải Từ những tín hiệu này, ECU tính toán để điều khiển mô tơ trợ lực phù hợp với điều kiện lái Cụ thể, khi lực đánh lái tăng lên, mô tơ trợ lực sẽ hoạt động mạnh mẽ hơn, tuy nhiên, mô men trợ lực sẽ giảm dần khi tốc độ xe gia tăng.
Khi người điều khiển tác động lên vành lái, trạng thái quay vòng xảy ra, dẫn đến hiện tượng xoay tương đối giữa hai đầu thanh xoắn Cảm biến mô men sẽ thay đổi điện áp tùy theo chiều quay và độ lệch giữa hai đầu thanh xoắn, sau đó truyền tín hiệu về ECU ECU kết hợp tín hiệu tốc độ xe từ cảm biến tốc độ để tính toán dòng điện điều khiển và chiều quay của mô tơ trợ lực, đảm bảo sự phù hợp trong quá trình điều khiển.
Giới thiệu về ô tô Honda Prelude
Honda Prelude là một mẫu xe thể thao nổi bật của hãng xe Nhật Bản Honda, được sản xuất từ năm 1978 đến 2001 Mẫu coupe hai cửa này có nguồn gốc từ Honda Accord và đã trải qua 5 thế hệ phát triển.
Thế hệ đầu tiên (1987), Thế hệ thứ hai (1982) và thế hệ thứ 3 (1991)
Prelude là mẫu xe dưới hai lít đầu tiên trang bị hệ thống lái hỗ trợ tiêu chuẩn Honda đã cải tiến nhiều tính năng cho Prelude mới, bao gồm hệ số cản 0,34 đặc biệt và hệ thống lái bốn bánh cơ học đầu tiên trên thế giới dành cho xe du lịch Với công nghệ 4WS mới, chiếc xe cho phép vận hành nhanh hơn so với 2WS, đồng thời mang lại cho người lái nhiều không gian để xử lý lỗi khi tốc độ tăng lên.
Hệ thống bốn bánh đã được nâng cấp thành phiên bản điện tử, trong khi động cơ được cải tiến từ 2,1 lít lên 2,2 lít cho phiên bản "S" Mẫu VTEC được trang bị hệ thống phanh nâng cấp, với kích thước rôto phía trước tăng từ 10,3 inch (262 mm) lên 11,1 inch (282 mm) và sử dụng kẹp cùng má phanh lớn hơn, tương tự như trên Honda Vigor.
Bảng 1-1 Thông số kỹ thuật về xe Honda Prelude 1987
Bộ Chuyển Số Thủ Công (Manual)
Loại Động Cơ Động Cơ
Tổng Công Suất Tối Đa 110 kW (150 hp)
Tổng Mô-Men Xoắn Cực Đại 180 Nm Động cơ
Số Xi Lanh 4, in line
Van Trên Mỗi Xi Lanh 4
Dung Tích Xi Lanh 1958 cc Đường Kính X Hành Trình Piston 81,0 x 95,0 mm
Công Suất Tối Đa 110 kW (150 hp)
Công Suất Tối Đa (Vòng Quay /
Mô-Men Xoắn Tối Đa 180 Nm
Mô-Men Xoắn Tối Đa (Vòng
Hệ Thống Nhiên Liệu Đa Điểm (Multipoint Injection)
Bộ Tăng Áp Không catalyst Không
Bình Nhiên Liệu 60 l Động cơ điện tử
Mô-Men Xoắn Tối Đa N.A.
Dung Lượng Pin N.A. Điện Áp Pin N.A.
Quãng Đường Đi Trên 1 Lần Sạc N.A.
Chỉ Số Năng Lượng Tiêu Thụ N.A.
Hiệu suất op speed 212 km/h
Thời Gian Tăng Tốc Từ 0 Đến 100
Mức Tiêu Thụ Trong Thành Phố N.A.
Mức Tiêu Thụ Trong Thành Phố
Mức Tiêu Thụ Ngoài Đô Thị N.A.
Mức Tiêu Thụ Ngoài Đô Thị (Km) N.A.
Mức Tiêu Thụ Hỗn Hợp 8,8 l/100km
Mức Tiêu Thụ Hỗn Hợp (Km) 1 op 11,4
Giám Sát Trạng Thái Tiêu Hao N.A.
Giám Sát Trạng Thái Tiêu Hao
Hệ Thống Treo Bánh Trước independent, double wishbone
Hệ Thống Treo Bánh Sau independent, double wishbone
Hệ Thống Treo Trước Lò Xo
Hệ Thống Treo Sau Lò Xo
Bộ Giảm Chấn Phía Trước Có
Bộ Giảm Chấn Phía Sau Có
Phanh Trước Đĩa Thông Gió (Ventilated Disc)
PHÂN TÍCH KẾT CẤU VÀ TÍNH CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG LÁI 4WS
Hệ thống lái 4 bánh dẫn hướng
2.1.1 Hệ thống lái 4WS cơ khí
Hệ thống lái 4 bánh loại cơ khí điều khiển thụ động thể hiện trên Hình 2.1
Cơ cấu lái trước của xe sử dụng kiểu bánh răng và thanh răng, trong khi hộp trích lực truyền ra cầu sau thông qua bánh răng ăn khớp với thanh răng của cơ cấu lái trước Cơ cấu lái sau được thiết kế dưới dạng bộ truyền hành tinh thu gọn, được dẫn động nhờ trục các đăng nằm dài phía trên sàn xe Tỷ số truyền giữa vành lái và trục các đăng là hai, có nghĩa là vành tay lái quay gấp hai lần trục các đăng Trục các đăng có thiết kế then hoa di trượt dọc trục để bù kích thước khi xe biến dạng Toàn bộ cơ cấu lái trước và sau được gắn trên sàn xe với gờ tăng cứng, như thể hiện trong sơ đồ cấu tạo cơ cấu lái ở Hình 2.2.
Hình 2.1 Hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng
Vành tay lái là bộ phận quan trọng trong hệ thống lái, giúp người điều khiển kiểm soát hướng di chuyển của xe Trục tay lái kết nối và truyền lực từ vành tay lái đến cơ cấu lái Cơ cấu lái 2 bánh trước cho phép xe dễ dàng chuyển hướng và ổn định khi di chuyển Dẫn động lái đến hai bánh sau cải thiện khả năng bám đường và tăng cường độ an toàn khi xe vận hành Cuối cùng, cơ cấu lái 2 bánh sau mang lại sự linh hoạt và hỗ trợ cho việc điều khiển xe trong các tình huống khó khăn.
Hình 2.2 Sơ đồ cấu tạo cơ cấu lái sau xe Honda Prelude
1-Vỏ cơ cấu lái; 2- Bánh răng hành tinh; 3-Trục chủ động;4- Bánh răng ngoại luân; 5-Con trượt; 6- Máng trượt; 7- Nắp cơ cấu lái; 8-Đòn ngang bánh xe sau.
Cơ cấu lái sau (Hình 2.2), trục chủ động (3) mang theo bánh răng hành tinh
Dầm trục của bánh răng hành tinh được thiết kế lệch trục, cho phép bánh răng quay một cách trơn tru Bánh răng hành tinh ăn khớp với bánh răng ngoại luân, đứng yên cùng với vỏ cơ cấu lái Trên bánh răng này, trục AA được bố trí, trong khi con trượt quay trơn trên trục AA và di chuyển lên máng trượt Máng trượt chỉ tiếp nhận chuyển động tịnh tiến đi kèm với đòn quay.
Nguyên lý làm việc của hệ thống lái xe cho thấy khi xe di chuyển với tốc độ cao, người lái chỉ cần quay vành lái nhỏ, khiến các bánh xe trước và sau quay cùng chiều Khi xe vào chỗ đỗ và thực hiện quay ngoặt, góc quay vành lái lớn và tốc độ xe giảm, dẫn đến việc bánh xe trước và sau quay ngược chiều Khi trục chủ động quay, bánh răng hành tinh lăn trên bánh răng ngoại luân, làm cho trục AA đầu tiên di chuyển sang phải rồi sau đó sang trái Giá trị lớn nhất xảy ra khi bánh xe sau quay cùng chiều với bánh xe trước, sau đó giá trị này giảm dần Khi trục chủ động tiếp tục quay, trục AA dịch chuyển lên trên, đẩy bánh xe sau quay ngược chiều, và sự đảo chiều này xảy ra tương ứng với góc quay của vành lái Khi góc quay của bánh xe trước được thiết lập, bánh xe sau sẽ quay một góc tương ứng.
Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý hoạt động cơ cấu lái sau
2.1.2 Hệ thống lái 4WS thủy lực
Hệ thống lái 4 bánh dẫn động thủy lực bao gồm các thành phần chính như xy lanh trợ lực lái trước, van điều khiển, xy lanh thủy lực lái sau và bơm thủy lực lái phía sau Hệ thống này hoạt động bằng cách dẫn động lái từ trục trước đến trục sau thông qua hệ thống thủy lực, giúp cải thiện khả năng điều khiển và ổn định của xe.
Hình 2.4 Hệ thống lái 4WS thủy lực
Hệ thống lái 4WS thủy lực cho phép các bánh xe phía sau xoay cùng chiều với bánh xe phía trước khi xe di chuyển ở tốc độ trên 50 km/h, với góc xoay của bánh sau không vượt quá một mức nhất định Hệ thống này bao gồm các xylanh thủy lực gắn tại cầu xe trước và sau, với chất lỏng được bơm tới các xylanh thông qua bơm lái Khi lái xe, bơm lái phía trước hoạt động, đẩy dầu tới xylanh thủy lực ở cầu trước, làm quay bánh xe theo chiều tay lái Ở tốc độ cao, van điều khiển dầu trợ lực mở ra, cho phép bơm trợ lực lái cầu sau hoạt động, đẩy chất lỏng tới xylanh ở cầu sau, khiến bánh xe sau quay cùng chiều với bánh xe trước.
2.1.3 Hệ thống lái 4WS điện – thủy lực
Hệ thống lái bốn bánh điện – thủy lực thể hiện trên Hình 2.5
Hình 2.5 Hệ thống lái 4WS thủy lực- điện
Hệ thống lái kết hợp thủy lực và điều khiển điện tử, với cơ cấu lái phía trước sử dụng thủy lực và cơ cấu lái phía sau sử dụng thủy lực điện tử điều khiển bởi ECU ECU hoạt động dựa trên thông tin từ cảm biến tốc độ và cảm biến vị trí vành lái, xử lý thông tin để điều khiển mô tơ bước và van phân phối, điều chỉnh dòng dầu vào xy lanh thủy lực Điều này giúp các đòn ngang liên kết quay các bánh xe sau, với góc quay có thể cùng chiều hoặc ngược chiều với bánh xe phía trước, tùy thuộc vào tốc độ di chuyển của xe.
2.1.4 Hệ thống lái 4WS cơ khí - điện – thủy lực
Sơ đồ cấu tạo hệ thống lái 4WS loại cơ khí – điện – thủy lực thể hiện trên Hình 2.6.
Hình 2.6 Cấu tạo hệ thống lái cơ khí- điện- thuỷ lực trên xe Mazda 626 4WS
1-Cảm biến tốc độ; 2-Cảm biến vị trí vành lái; 3- ECU lái; 4- Bơm dầu; 5-
Cơ cấu lái sau; 6- Khoá điện; 7- Ắc quy.
Cơ cấu lái trước sử dụng thanh răng - bánh răng, trong khi bánh sau áp dụng hệ thống thuỷ lực điện từ tương tự như cơ cấu lái sau Nguồn năng lượng cho cơ cấu lái sau được cung cấp bởi bơm dầu và mô tơ bước, với các chế độ làm việc được điều khiển bởi ECU ECU nhận tín hiệu từ cảm biến tốc độ xe và cảm biến vị trí vành lái để thực hiện điều chỉnh.
Hình 2.7 Nguyên lý làm việc cơ cấu lái sau
Mô tơ bước điều khiển bánh răng quay theo vị trí của vành lái, giúp định hướng chính xác cho xe Đĩa phân phối hoạt động theo tốc độ di chuyển của xe, trong khi van phân phối chuyển đổi giữa hai trạng thái tín hiệu để mở đường dầu vào xylanh lực Điều này cho phép đẩy đòn ngang liên kết, thực hiện việc quay các bánh xe sau một cách hiệu quả.
Lựa chọn phương án thiết kế
Dựa trên các phân tích và nghiên cứu thực tế về hệ thống lái 4WS, tôi quyết định chọn phương án thiết kế hệ thống lái 4WS kiểu cơ khí – điện Dưới đây là sơ đồ bố trí chung của hệ thống lái mà chúng tôi cần thiết kế.
Hình 2.8 Sơ đồ bố trí chung của hệ thống lái 4WS cơ khí-điện
1-Cảm biến tốc độ; 2- Cảm biến gia tốc ngang, góc quay thân xe; 3- Motor điện; 4- Cảm biến góc xoay vô lăng
Với kết cấu lái trước:
Hình 2.9 Kết cấu lái trước
Hình 2.10 Kết cấu lái sau
1-Vỏ motor; 2- Gioăng chữ O; 3- Stator; 4- Nam châm; 5-Cảm biến mô men; 6-Ổ bi; 7- Trục vít; 8- Rotor; 9-Lá thép kỹ thuật; 10- Vòng hồi bi; 11- Bi cầu; 12-Đai ốc
Sơ đồ điều khiển lái sau:
Hình 2.11 Sơ đồ điều khiển lái sau
1-Motor điện; 2- ECU 4WS; 3- Acquy; 4- Cảm biến gia tốc ngang, góc xoay thân xe; 5-Cảm biến góc xoay vô lăng; 6- Cảm biến tốc độ
Các trạng thái chuyển động của hệ thống 4WS
Hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng hoạt động dựa trên tốc độ di chuyển của xe Khi xe di chuyển với tốc độ thấp dưới 35 km/h, bánh xe phía trước và phía sau sẽ quay ngược chiều nhau, giúp giảm bán kính quay vòng.
Hình 2.12 Trạng thái quay vòng ở tốc độ thấp
Khi xe chuyển động ở tốc độ trung bình (35-60 km/h): Ở tốc độ này, chỉ có hai bánh xe trước quay như hệ thống lái thông thường (Hình 2.13)
Hình 2.13 Trạng thái quay vòng tốc độ trung bình
Hình.2.16.Sơ đồlực tác dụng lên xe khi ởtốc độthấp.
Bán kính quay vòng tối thiểu :
Với bán kính quay vòng R4ws 789mm, ô tô có hệ thống lái 2ws yêu cầu bánh xe dẫn hướng phải quay một góc lớn nhất được xác định như sau.
Khi đó tỷ số truyền hệ thống lái 4ws bằng với tỷ số truyền của hệ thống lái 2ws tương đương:
2.4.1 Tính toán tỉ số truyền hệ thống lái
2.4.1.1 Tỉ số truyền của hệ thống khi xe ở tốc độ trung bình:
Hình.2.15.Sơ đồ lực tác dụng lên xe khi ở tốc độ trung bình.
Bán kính quay vòng tối thiểu :
(mm) Trong đó : L : chiều dài cơ sở cảu xe
: là góc quay bánh trước
2.4.1.2 Tỉ số truyền của hệ thống khi xe ở tốc độ thấp:
Khi ô tô di chuyển với tốc độ chậm hoặc trong bãi đỗ xe, bánh xe dẫn hướng phía sau sẽ quay theo hướng ngược lại so với bánh xe dẫn hướng phía trước.
Hình.2.16.Sơ đồ lực tác dụng lên xe khi ở tốc độ thấp.
Bán kính quay vòng tối thiểu :
Với bán kính quay vòng R4ws 789mm, ô tô có hệ thống lái 2ws yêu cầu bánh xe dẫn hướng phải quay một góc lớn nhất được xác định.
Khi đó tỷ số truyền hệ thống lái 4ws bằng với tỷ số truyền của hệ thống lái 2ws tương đương:
2.4.1.3 Tỉ số truyền của hệ thống khi xe ở tốc độ cao:
Khi ô tô di chuyển ở tốc độ thấp hoặc trong bãi đỗ xe, bánh xe dẫn hướng phía sau sẽ quay cùng chiều với bánh xe dẫn hướng phía trước, giúp tăng cường khả năng điều khiển và linh hoạt cho xe.
Hình.2.17.Sơ đồ lực tác dụng lên xe khi ở tốc độ cao
Bán kính quay vòng tối thiểu :
Tính toán các thông số cơ bản
Với bán kính quay vòng R4ws 789mm, ô tô có hệ thống lái 2ws yêu cầu bánh xe dẫn hướng phải quay một góc lớn nhất được xác định.
Khi đó tỷ số truyền hệ thống lái 4ws bằng với tỷ số truyền của hệ thống lái 2ws tương đương:
2.4.2 Tỉ số truyền tương đương.
Bảng 2-2.Tỉ số truyền hệ thống lái 2ws tương đương
Bán kính quay vòng Góc quay bánh xe dẫn hướng 2ws tương đương
Tỉ só truyền hệ thống lái 2ws tương đương
- Đồ thị thay đổi tỉ số truyền :
Hình 2.19.Đồ thị tỉ số truyền hệ thống lái và vận tốc.
2.4.3 Quan hệ góc quay của các bánh xe dẫn hướng
Khi hai bánh sau quay cùng chiều với hai bánh trước: g
Hình 2.20.Quan hệ góc quay khi bánh xe trước sau cùng chiều
Bởi vì >l và >0 nên xe ở cấu hình 4WS dương và tâm quay phía sau xe Ta có:
Khi hai bánh sau quay ngược chiều với hai bánh trước:
Hình 2.21.Quan hệ góc quay khi bánh xe trước sau ngược chiều.
Bởi vì c 10 nên xe ở cấu hình 4WS âm và tâm quay phía bên xe
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG LÁI TRƯỚC
Thông số đầu vào
Bảng 3-1 Các thông số cơ bản dùng để tính toán
STT Tên danh nghĩa Ký hiệu Giá trị Dơn vị
1 Chiều dài toàn bộ 4521 mm
2 Chiều dài cơ sở L 2586 mm
3 Chiều rộng toàn bộ 1753 mm
4 Chiều rộng cơ sở trước 1525 mm
6 Trọng lượng bản thân xe 1365/13386 kG/N
7 Tải trọng phân bố cho cầu trước
9 Dường kính vành tay lái 250 mm
10 Dường kính trục lái 25 mm
11 Bán kính quay vòng tối thiểu
12 Vận tốc lớn nhất 212 Km/h
13 Tỉ số truyền cơ câu lái 0.14
Xác định lực tác dụng lên vành tay lái
Vành tay lái: chọn bán kính vành tay lái Hiện nay vành lái còn tác dụng trang trí,có nhiều kiểu kết cấu để tạo thẩm mỹ cao.
Trục lái: góc đặt trục nhỏ hơn 90 độ.
- Góc càng nhỏ thì khả năng tác động lực càng thấp.
- Khi trục đặt nghiêng thì nối giữa trục và hộp tay lái phải qua 1-2 khớpcácđăng.
Cụm truyền động: gồm các đòn quay đứng (chịu uốn), đòn kéo (cần khả năng ổn định dọc trục) Tất cả cácđònkéođều phải làm dạng thanh.
Trụ đứng –cam quay:Cố định ởcam quay.
Giải pháp thiết kế kỹ thuật cần đảm bảo rằng thiết kế đáp ứng các yêu cầu đặc trưng của hệ thống, trong đó việc lái chính xác là rất quan trọng Các khâu và khớp trong hệ thống phải được tối ưu hóa để không có độ rơ, tuy nhiên, có thể chấp nhận một mức độ rơ nhất định trong các trường hợp cho phép.
- Hai giải pháp khử độ rơ: khử định kỳvàkhửliêntục.
• Khử định kỳ: chủ yếutronghộp tay lái.
• Khử liêntục: các khâu là chuyển độngsong phẳngnên các khớp đều làkhớp cầu
Làmcơ cấulò xođiều chỉnh được lực ép.
Xác định lực tác dụng lên vành tay lái.
Hình 3.1 Sơ đồ đặt bánh xe dẫn hướng
Trong thiết kế hệ thống lái, lực tác động lên vành tay lái được xác định khi ô tô quay vòng tại chỗ, do lúc này lực cản quay vòng đạt giá trị tối đa Mômen cản quay vòng tại bánh xe và mặt đường bao gồm ba thành phần chính: mômen cản lăn M1, mômen ma sát giữa bánh xe và mặt đường M2, và mômen ổn định M3 do các góc đặt của bánh xe trụ đứng gây ra.
Mômen cản lăn được xác định theo công thức [1] :
M1: Mô men tác dụng lên một bánh xe dẫn hướng
Gbx: Trọng lượng tác dụng lên một bánh xe dẫn hướng
G1: Khối lượng phân bố lên trục trước
Trọnglượng của xe là 1365 kG = 13386 N.
Xe ô tô có động cơ đặt ở phía trước, vì vậy khi tính toán, tải trọng được phân bổ là 55% lên cầu trước và 45% lên cầu sau Do đó, trọng lượng tác động lên cầu trước được xác định dựa trên tỷ lệ này.
Gbx f: hệ số cản lăn; xét trường hợp xe chạy trên đường nhựa và khô chọn f = 0,015; e: chiều dài cánh tay đòn, với xe tham khảo chọn c = 116 (mm).
Khi mômen quay vòng tác động lên bánh xe, lực ngang Y sẽ xuất hiện tại khu vực tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường Lốp xe với tính đàn hồi giúp phân phối lực này một cách hiệu quả, tạo ra sự ổn định và kiểm soát tốt hơn trong quá trình di chuyển.
Lực Y tác động lên vết tiếp xúc lệch trục bánh xe, tạo ra khoảng cách x giữa lực và trục Điểm đặt lực ngang Y được xác định là 1/4 chiều dài bề mặt tiếp xúc giữa lốp và mặt đường về phía sau.
Hình 3.2.Sơ đồ lực tác dụng lên bánh xe
Với bánh xe có cỡ lốp là 195/60R14
Bánh xe có kích thước B = 195 mm và d = 14 inch, với bán kính tự do r là một yếu tố quan trọng Bán kính làm việc của bánh xe được ký hiệu là rbx, và hệ số này tính đến sự biến dạng của lốp Đối với lốp có áp suất cao, công thức tính bán kính làm việc là rbx = 0,96.r, dẫn đến rbx = 0,96 x 372.8 = 357.89 mm.
=> Lực ngang có giá trị cực đại bằng lực bám :
Ymax= .Gbx (Trong đó là hệ số bám )
Như vậy mômen ma sát giữa bánh xe và đường có thể được tính như sau:
Với làhệ số bám ngang, lấy = 0,85
Mômen ổn định M3 được tạo ra bởi các góc đặt bánh xe và trụ đứng, việc tính toán mômen này khá phức tạp Để đơn giản hóa, có thể thay thế M3 bằng một hệ số α Mômen cản quay vòng tại một bánh xe dẫn hướng được tính theo công thức tương ứng.
Mômen cản quay vòng tại đòn kéo dọc là :
Trong đó là hiệu suất tính đến tổn hao ma sát tại cam quay và các khớp trong dẫn động lái, =0,5 0,7.
Tổng mômen cản quay ở cả 2 bánh dẫn hướng tác dụng lên cam quay và từ cam quay qua đòn dọc của dẫn động lái là :
Với tham khảo do chỉ có cầu trước dẫn hướng nên chọn = 0,65
=> Mc Cuối cùng lực cực đại tác dụng lên vô lăng là:
Trong đó: r: Bán kính vành tay lái, r = 250(mm).
Mc: mômen cản lăn của bánh xe dẫn hướng, Mcl= 1113.5 Nm. il : tỉ số truyền của hệ thống lái; il= 18.
: hiệu suất truyền lực của hệ thống lái.
th: hiệu suất thuận của cơ cấu lái, th= 0,9.
cam: hiệu suất tính đến ma sát ở các cam quay, cam= 0,65.
Xác định các thông số cơ bản của hình thang lái
Nhiệm vụ của tính toán động học dẫn động lái là xác định các thông số tối ưu của hình thang lái, nhằm đảm bảo động học quay vòng chính xác cho các bánh xe dẫn hướng và động học của đòn quay đứng Điều này cần xem xét biến dạng của bộ phận đàn hồi trong hệ thống treo và lựa chọn các thông số cần thiết cho hệ thống truyền dẫn động lái.
Hình học lái Ackerman là phương pháp quan trọng trong truyền động lái, giúp các bánh dẫn hướng của ôtô di chuyển theo các cung với bán kính khác nhau khi quay vòng Phương pháp này ngăn chặn hiện tượng trượt, từ đó giảm thiểu hao mòn lốp xe.
Khi thực hiện quay vòng, để tránh tình trạng trượt bánh xe ô tô, cần điều chỉnh các bánh dẫn hướng bên phải và bên trái theo những góc khác nhau Các góc này có mối quan hệ chặt chẽ với nhau và được tính toán theo một công thức cụ thể.
L: chiều dài cơ sở của xe
B: Khoảng cách giữa hai đường tâm trụ đứng.
: Là góc quay của bánh xe dẫn hướng bên ngoài.
: Là góc quay của bánh xe dẫn hướng bên trong. Để đảm bảo điều kiện quay vòng đúng, trên xe sử dụng cơ cấu dẫn động lái
Để kiểm tra động học hình thang lái theo phương pháp Ackerman, người ta xây dựng sơ đồ động học quay vòng với giả thiết ô tô là một khối thống nhất Tại mỗi thời điểm, các điểm trên ô tô quay quanh một tâm tức thời Để các bánh xe quay vòng một cách tự nhiên, các đường tâm quay của chúng cần cắt nhau tại một điểm O.
Hình 3.3 Sơ đồ động học quay vòng xe với 2 bánh dẫn hướng phía trước.
3.3.1 Hình học giá đỡ và bánh răng.
Giá đỡ hình học lái pinon là một phương pháp thiết kế dựa trên nguyên lý Ackerman, giúp tối ưu hóa hiệu suất lái xe Bài viết này cung cấp danh sách các thông số hình học lái khác nhau liên quan đến hình học thanh răng và bánh răng, nhằm nâng cao khả năng điều khiển và ổn định cho phương tiện.
Hình 3.4.Sơ đồ hình học lái Ở đâu,
• d : khoảng cách giữa trục trước và trục tâm của thanh răng
• β :góc Ackerman, a) Trường hợp xe đi thẳng.
Từ sơ đồ dẫn động lái trên hình 3.4 ta có thể tính được mối quan hệ giữa các thông số theo các biểu thức sau:
Hình 3.5 Sơ đồ động học hình thang lái khi xe đi thẳng
Sai lệch trong quan hệ hình học của cơ cấu lái 6 khâu 6 khớp so với quan hệ hình học Ackerman chủ yếu xảy ra ở góc quay lớn của bánh xe dẫn hướng Giá trị sai lệch lý thuyết dao động từ 0 độ 30 phút đến 1 độ khi bánh xe dẫn hướng hoạt động trong vùng quay gấp.
Khi bánh xe dẫn hướng phía trong quay một góc, thước lái sẽ tịnh tiến sang trái một đoạn q Mối quan hệ này có thể được suy ra dễ dàng từ biểu thức (3-2).
Hình 3.6 Sơ đồ hình học bánh xe bên trong quay vòng.
Khi thước lái dịch chuyển một đoạn q, bánh xe dẫn hướng bên ngoài quay một góc, và mối quan hệ này có thể được diễn đạt qua biểu thức (2).
Hình 3.7 Sơ đồ hình học bánh xe bên ngoài quay vòng.
3.3.2 Thiết kế dẫn động lái
3.3.2.1 Xác định đường đặc tính lý thuyết.
Trong bài viết này, chúng tôi sẽ xây dựng đồ thị mối quan hệ giữa góc quay của bánh xe dẫn hướng phía trong (i) và phía ngoài, đồng thời so sánh với điều kiện quay vòng đúng Việc phân tích này giúp hiểu rõ hơn về sự tương tác giữa các bánh xe trong quá trình quay vòng, từ đó tối ưu hóa hiệu suất và an toàn khi điều khiển phương tiện.
Suy ra Ứng với các giá trị của từ 0 o , 5 o , đến 30 o lần lượt ta có các giá trị tương ứng của Các giá trị này được tính theo EXCEL.
Bảng 3-2 Quan hệ giữa và theo lý thuyết. o o
3.3.2.2 Xây dựng đường cong đặc tính hình thang lái thực tế. Để thuận tiện trong quá trình tính toán các thông số của dẫn động lái gồm: chiều dài thước lái (p), khoảng cách thước lái đến đường tâm trục xe (d), chiều dài 2 đòn bên x, y được xác định sơ bộ.
Bảng 3-3 Giá trị các thông số dẫn động lái
Tên Giá trị Đơn vị p 0.3050 m r 0.0630 m x 0.1180 m y 0.4030 m d 0.1380 m
Xây dựng mối quan hệ động học quay vòng:
- Ứng với mỗi giá trị của thay vào biểu thức (3-3) xác định được dịch chuyển của thước lái (q) theo biểu thức:
- Thay (q) vào biểu thức (3-4) ta tính được góc quay bánh xe dẫn hướng bên ngoài bằng công thức:
Tuy nhiên phương trình này khó rút ra thì đơn giản hóa bằng cách coi
Phương trình (**) được viết lại: Để tính q, , dựa vào 2 phương trình (*) và (**) ta sử dụng excel tính toán, ta tính được các giá trị thực tế tương ứng:
Bảng 3-4 Quan hệ giữa và theo lý thuyết q
Từ các giá trị thực tế và giá trị lý thuyết vừa tính ta vẽ được đồ thị:
Hình 3.8 Đồ thị đặc tính hình học hình thang lái
Thiết kế cơ cấu lái
Momen trên bánh răng được xác định từ momen cản quay cản quay của bán xe dẫn hướng ở hai bên.
Trong đó ηlà hiệu suất của cơ cấu bánh răng – thanh răng, chọn η = 0,8
Mô men xoắn trên bánh răng:
Trong truyền động, do vận tốc trượt lớn và điều kiện hình thành màng dầu bôi trơn không thuận lợi, cần chọn cặp vật liệu cho bánh răng và thanh răng có hệ số ma sát thấp, bền mòn và giảm nguy cơ dính Hơn nữa, với tỉ số truyền lớn, tần số chịu tải của bánh răng cao hơn nhiều so với thanh răng, vì vậy vật liệu làm bánh răng cần có cơ tính cao hơn Do đó, lựa chọn vật liệu cho bánh răng và thanh răng là rất quan trọng.
+ Vật liệu làm thanh răng: thép 30XH được tôi cải thiện
+ Vật liệu làm bánh răng: Thép 45, tôi bề mặt đạt độ rắn HRC 45. 3.4.2 Xác định kích thước và thông số cả thanh răng.
Hình 3.9: Kích thước hình học của thanh răng Đường kính của thanh răng được cắt tại mặt cắt nguy hiểm nhất:
: ứng suất tiếp xúc cho phép tại tiết diện nguy hiểm nhất.
: Mô men xoắn gây lên sự nguy hiểm ở thanh răng, chính bằng mômen cản quay vòng từ bánh xe:
Thay các thông số vào công thức (3-5) ta được :
- Chiều dài đoạn làm việc của thanh răng : L r 202( mm )
- Môđun thanh răng là : m = 2,5 mm.
- Chiều cao của răng thanh răng h = 2,25.m = 2,5.2,5 = 5.625 (mm)
- Số răng cần thiết trên thanh răng để khi quay vòng xe không bị chạm:
Chọn số răng trên thanh răng ZCT= 26 răng.
- Khoảng cách giữa 2 răn liên tiếp của thanh răng:
3.4.3 Tính toán các thông số cơ bản của bánh răng.
Mô đun của bánh răng chọn theo tiêu chuẩn, m = 2,5.
Hệ số đường kính trục chọn theo bảng 7.3 [3] q =8. Đường kính vòng chia: dt.v = q.m = 8.2,5 = 20 (mm) Đường kính vòng đỉnh: da = m.(q + 2) = 2,5.(8+2) = 25 (mm) Đường kính vòng đáy: df = m.(q - 2,4) = 2,5.(8 -2,4) = 14 (mm)
Khoảng cách trục aw = (dt.v+dt.r)/2 = (30 + 20)/2 = 25 (mm)
3.4.4 Tính bền cơ cấu bánh răng – thanh răng.
Trong quá trình làm việc, thanh răng phải chịu ứng suất uốn và tải trọng va đập từ mặt đường, dẫn đến hiện tượng rạn nứt chân răng.
Để đảm bảo độ tin cậy và tuổi thọ của cơ cấu lái, việc sử dụng vật liệu chế tạo thanh răng là rất quan trọng Thép XH được tôi cải thiện là lựa chọn tối ưu nhằm đáp ứng các yêu cầu làm việc của cơ cấu lái.
Có: N/mm 2 ; N/mm 2 ; HB = 260 290. 3.4.4.1 Ứng suất tiếp xúc cho phép.
- Giới hạn bền mỏi tiếp xúc của bộ truyền bánh răng- thanh răng:
- Ứng suất tiếp xúc cho phép của bộ truyền bánh răng-thanh răng:
+ SH: Là hệ số an toàn ; lấy SH= 1,1
+ ZR: Hệ số xét ảnh hưởng của độ nhám; ZR = 0,95
+ ZV: Hệ số xét ảnh hưởng của vận tốc vòng; ZV= 1,1
+ KXH: Hệ số xét ảnh hưởng của kích thước bánh răng; KXH= 1 + KF: Hệ số xét ảnh hưởng của độ độ bôi trơn; KF= 1
=> Thay các thông số vào công thức (3-7) ta được:
3.4.4.2 Ứng suất uốn cho phép.
Giới hạn bền mỏi uốn của bộ truyền bánh răng-thanh răng:
Chọn = 1; Với bộ truyền quay hai chiều ta chọn = 0.7
(N/mm 2 ). Ứng suất uốn cho phép của bộ truyền bánh răng -thanh răng:
Hệ số an toàn (SF) được xác định là 1,7, trong khi hệ số YS, xét tới ảnh hưởng của mô đun với m = 2,5, được chọn là 1,03 Áp dụng các giá trị này vào công thức (3-9) cho kết quả là (N/mm²) Phần tiếp theo là kiểm nghiệm độ bền của bộ truyền bánh răng và thanh răng.
Kiểm nghiệm thanh răng về độ bền tiếp xúc:
+ Z M : hệ số kể đến cơ tính của vật liệu Vật liệu cơ cấu đều là thép nên chọn ZM = 274
+ α : góc prôfin gốc Theo TCVN 1056-71 thì α = 20 o
+ ZH: hệ số kể đến hình dạng bề mặt tiếp xúc :
ZH + Zε : hệ số kể đến sự trùng khớp
+ là hệ số trùng khớp ngang, được tính theo công thức sau:
+ KHv: hệ số tải trọng động Với cấp chính xác 9 ta chọn theo bảng P2.3
+ KHα : hệ số kể đến sự phân bố không đều tải trọng của cặp răng ăn khớp Tra bảng 6.14 [3]→ KHα= 1,13
+ KHβ : hệ số kể đến sự phân bố không đều tải trọng trên chiều rộng vành răng Tra bảng 6.7 [3] → KHβ= 1,02
+ Chiều rộng vành răng : bw= 14 (mm)
+ Đường kính vòng lăn : d= bw/ψd Tra bảng 6.6[3] ψd = 0,6
Thay các thông số vàocông thức (3-10)ta được :
Thấy (N/mm 2 ) => thoả mãn điều kiện tiếp xúc
3.4.4.4 Kiểm nghiệm độ bền uốn.
+ Y F : hệ số dạng răng Với hệ số dạng răng dịch chỉnh = 0,5 và số răng tương đương:
+ KF: hệ số kể đến sự phân bố không đều tải trọng trên chiều rộng vành răng Tra bảng 6.7 [3] ta được KF= 1,08.
+ KFα: hệ số kể đến sự phân bố không đều tải trọng cho các đôi răng đồng thời ăn khớp Tra bảng 6.14 [3] ta được KFα= 1,37.
+ KFv: hệ số kể đến tải trọng động khi tính về uốn
Hệ số ảnh hưởng của sai số ăn khớp được xác định là F = 0,006 theo bảng 6.15 Hệ số ảnh hưởng của sai lệch bước răng được tra cứu từ bảng 6.16 là gos Vận tốc dài của răng được coi là v = 1 m/s.
Thay số vào biểu thức (3-12) ta được:
1,026 + Yβ: hệ số kể đến độ nghiêng của răng
+ Yε: hệ số kể đến sự trùng khớp của răng.
Thay các thông số vào công thức (3-11) ta được:
=> Thỏa mãn về điều kiện bền uốn.
Vậy điều kiện bền được thoả mãn , Bộ truyền bánh răng – thanh răng đảm bảo đủ bền trong quá trình làm việc.
Thiết kế kết cấu và kiểm tra dẫn động lái
Hình 3.10: Sơ đồ tính bền đòn ngang
Trong quá trình làm việc, thước lái chỉ chịu tác động kéo nén theo phương dọc trục Đòn ngang được kiểm tra khả năng uốn dọc do lực N gây ra, với lực N được xác định dựa trên giá trị lực phanh thông qua công thức cụ thể.
G1: Khối lượng phân bố lên trục trước G1 = 7227 N
Xp-lực phanh tác dụng lên một bánh xe.
- hệ số phân bố lại trọng lượng lên cầu dẫn hướng khi phanh
1 p 1.4 m φ-hệ số bám giữa lốp với đường (lấy φ=0,8).
Bt: Chiều rộng vết bánh trước của xe Bt = 1525 (mm)
B:Khoảng các giữa tâm hai trụ đứng của cầu dẫn hướng B = 1293mm Thay các giá trị vào công thức (3-13) ta có:
Thước lái được sản xuất từ thép ống CT20 với đường kính trong và ngoài lần lượt là D = 30 mm và d = 22 mm Ứng suất trong đòn kéo ngang được tính toán theo công thức cụ thể.
Fn– tiết diện ngang của đòn kéo ngang.
Fn Mặt khác : [b] = 350 (KG/cm 2 ) = 35 (N/mm 2 ).
Thay số vào công thức (3-12) ta được:
Vậy đòn kéo ngang đảm bảo điều kiện bền và ổn định.
3.5.2 Tính bền thanh nối bên dẫn động lái. Để đảm bảo an toàn và tính ổn định của quá trình làm việc, đòn bên được làm bằng thép 20X. Đòn có chiều dài X chịu mô men uốn bằng mô men cản quay ở một bên bánh xe (Mc/2) Do vậy ta tính theo điều kiện bền uốn.
Ta tính ứng suất tại tiết diện nguy hiểm nhất là tại chỗ giao nhau giữa hai tiết diện của cầu trước và đòn bên: (3-16)
Với vật liệu đã chọn ta có b = 35mm, h = 25mm
Thay vào biểu thức (3-16) ta có:
Để đảm bảo điều kiện bền uốn, đòn có chiều dài Y chỉ chịu kéo lực dọc trục bằng N.cos(epsilon), trong đó epsilon là góc nhỏ giữa thước lái và đòn Do góc này nhỏ, lực dọc trục tác dụng lên đòn có thể xấp xỉ bằng N, tương đương với lực dọc trục tác dụng lên thước lái.
Ta tính ứng suất tại tiết diện nguy hiểm nhất là tại chỗ giao nhau giữa hai tiết diện của cầu trước và đòn bên: (3-16)
Với vật liệu đã chọn ta có b = 35mm, h = 25mm
Thay vào biểu thức (3-16) ta có:
Sau 3 tháng nhận đề tài, với sự nỗ lực của bản thân và sự hướng dẫn, giúp đỡ rất nhiệt tình của thầy giáo Trần Văn Như và thầyNguyễn Hữu Mạnh nay em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp của mình Đề tài đã thu được được một số kết quả sau:
- Tìm hiểu về hệ thống lái trên ô tô nói chung và trên ô tô HONDA PRELUDE nói riêng.
- Thiết kế cơ cấu lái bánh răng - thanh răng không trợ lực dựa trên xe cơ sở HONDA PRELUDE.
Do thời gian hạn chế và kinh nghiệm còn thiếu, khối lượng công việc lớn đã ảnh hưởng đến chất lượng đồ án, dẫn đến nhiều thiếu sót trong phần tính toán Em rất mong nhận được ý kiến đóng góp từ các thầy trong bộ môn để hoàn thiện đồ án của mình hơn.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy trong bộ môn cơ khí ô tô đã hướng dẫn em trong quá trình thực hiện đồ án Đặc biệt, em rất biết ơn thầy Trần Văn Như và thầy Nguyễn Hữu Mạnh vì sự tận tình chỉ bảo, giúp em hoàn thành đồ án này.
[1] Trịnh Chí Thiện, Tô Đức Long, Nguyễn Văn Bang, Kết cấu và tính toán ôtô, NXB Giao Thông Vận Tải Hà Nội.
[2] Phạm Minh Thái, Hướng dẫn làm đồ án môn học Thiết kế hệ thống lái của ôtô – máy kéo, Trường Đại Học Bách Khoa – 1991.
[3] Trịnh Chất, Lê Văn Uyển, Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí tập 1, 2, Nhà xuất bản 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 và kỹ thuật.
[5] Hoàng Đình Long, Kỹ Thuật sửa chữa ôtô, Nhà xuất bản 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.