Vũ Hải Quân và các thầy trong Bộ môn Ngành Công nghệ kỹ thuật ô tô, Khoa Công nghệ ô tô Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội đã tạo điều kiện cho em hoàn thành đề tài.Hà Nội, Ngày tháng năm
NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LÁI TRÊN OTO
Giới thiệu về hệ thống lái
Bạn có thể đang sở hữu một chiếc ô tô được trang bị động cơ có công suất lớn và hộp số có hiệu suất cao để có thể truyền hầu hết công suất mà động cơ sinh ra đến bánh xe, nhưng nếu bạn không thể điều khiển các bánh xe làm cho chiếc xe di chuyển theo hướng bạn mong muốn, thì động cơ công suất lớn hay hộp số có hiệu suất cao cũng không còn có ý nghĩa nữa bởi vì bạn không thể điều khiển chiếc xe của mình di chuyển trên đường.
Hệ thống lái là một trong bảy hệ thống cơ bản, quan trọng nhất trên ô tô Trong khi động cơ và hệ thống truyền lực truyền công suất xuống bánh xe, thì hệ thống lái dùng để thay đổi hướng chuyển động hoặc giữ cho ô tô chuyển động theo một quỹ đạo nhất định nào đó như: quay vòng trái, quay vòng phải, đi thẳng… Hệ thống lái là một hệ thống khá phức tạp, nó được chia thành nhiều cụm cơ cấu và bộ phận có chức năng riêng biệt hỗ trợ lẫn nhau.
Hệ thống lái trên ô tô có nhiệm vụ giúp ô tô chuyển hướng theo ý muốn của người lái và đảm bảo tâm quay của các bánh xe tuân thủ theo đúng động học quay vòng ô tô để hạn chế hiện tượng mòn bánh xe khi quay vòng.
Phân loại hệ thống lái
1.2.1 Theo số lượng cầu dẫn hướng
Hệ thống lái với các bánh dẫn hướng ở cầu trước, loại này thường được trang bị trên hầu hết các dòng xe ô tô du lịch hiện nay như TOYOTA Vios, TOYOTA Camry, KIA Morning, KIA Cerato, HYUNDAI I10, HYUNDAI Elantra…và xe thương mại như FORD Transit, HYUNDAI County…
Hệ thống lái với các bánh dẫn hướng ở cầu sau, loại hệ thống lái này ít được trang bị trên ô tô vì kết cấu hệ thống lái phức tạp khi phải bố trí thêm các trục và đòn dẫn từ phía trước đến phía sau, đồng thời đòi hỏi việc trợ lực lái nhiều hơn khi xe tăng tốc do lực quán tính làm tải trọng tập trung về phía cầu sau do đó làm tăng mức tiêu hao nhiên liệu, nó thường được trang bị trên các loại máy nâng chuyển, xe chuyên dùng…
Hệ thống lái với các bánh dẫn hướng ở cả cầu trước và cầu sau, mục đích của việc trang bị hệ thống lái trên các cầu nhằm để giảm bán kính quay vòng của ô tô, giúp xe dễ quay vòng khi vận tốc thấp, giảm khả năng bị mòn bánh không được dẫn hướng, đồng thời tăng sự ổn định cho xe khi di chuyển với vận tốc cao. hình 1.1 Hệ thống lái với bánh dẫn hướng ở cầu trước hình 1.2 Hệ thống lái với bánh dẫn hướng ở cầu trước
Loại hệ thống lái này được trang bị trên các dòng xe của nhà sản xuất Porsche như: Panamera, Cayenne2018, 911 GT3, AG… và các nhà sản suất xe cao cấp khác như Audi, Mercedes-Benz, BMW, Lexus…với phiên bản hiện đại hơn, được điều khiển điện tử Khi vận tốc xe trên 80km/h bánh phía sau sẽ tự động xoay cùng chiều với bánh trước để làm tăng hiện tượng quay vòng thiếu của xe, giúp xe ổn định hơn Khi vận tốc xe dưới 50km/h, bánh sau sẽ quay ngược chiều với bánh trước để đảm bảo xe dễ vào cua, người lái sẽ không bị cảm giác giằng vô lăng và nặng tay lái.
1.2.2 Theo kết cấu của cơ cấu lái
Trục vít – thanh răng, hay còn gọi là thước lái Đây là kiểu cơ cấu lái dùng rất phổ biến trên hầu hết các dòng xe du lịch hiện nay như TOYOTA Vios, Altis, Camry, Fortuner, Mazda 3, Mazda 6, HONDA city, HONDA Civic, KIA Cerato, KIA Morning… Sở dĩ thước lái được dùng phổ biến bởi vì sự đơn giản trong kết cấu của nó, dễ dàng sửa chữa khi có hư hỏng xảy ra và cũng dễ dàng bố trí các hệ thống trợ lực lái đi kèm. hình 1.3 Kết cấu của cơ cấu lái
Cấu tạo chính gồm một trục vít ăn khớp với thanh răng Khi người lái xoay vô lăng làm trục vít quay theo, trục vít ăn khớp với thanh răng nên làm cho thanh răng di chuyển sang trái hoặc phải Để kết hợp thước lái với moay-ơ bánh xe, người ta bố trí thêm các khớp cầu hay còn gọi là rotuyn, mỗi thước lái gồm một cặp rotuyn lái trong và rotuyn lái ngoài Các rotuyn và thanh răng tạo thành một hệ dẫn động lái có hình thang, hay còn gọi là hình thang lái.
Mục đích của việc tạo ra hình thang lái để đảm bảo chuyển động ổn định của xe khi quay vòng, bánh xe phía trong góc cua sẽ không bị trượt so với bánh ngoài.
1.2.3 Theo phương pháp trợ lực lái
Có bao giờ bạn thắc mắc rằng, tạo sao một chiếc xe máy không cần trợ lực lái mà việc điều đánh lái vẫn rất nhẹ nhàng trong khi một chiếc ô tô lại cần trợ lực lái? Bởi vì tổng khối lượng của một chiếc ô tô rất lớn, tại trạng thái đứng yên, lực cản tác dụng lên cơ cấu lái rất lớn làm cho người lái không thể xoay vô lăng được do đó cần một hệ thống trợ lực lái đi kèm để hỗ trợ người lái Các loại trợ lực lái thường được bố trí trên ô tô hiện nay như: trợ lực lái thủy lực, trợ lực lái điện và trợ lực lái thủy lực – điện tử hình 1.4 Sơ đồ cơ cấu lái hình thàng trên xe ô tô
1.2.3.1 Trợ lực lái thủy lực Đây là loại trợ lực lái được trang bị đầu tiên trên ô tô Cấu tạo của hệ thống trợ lực lái này rất đơn giản: nó gồm hai đường ống dầu vào 2 khoang được chia sẵn bên trong thước lái, các van điều hướng và một bơm dầu trợ lực được dẫn động bởi động cơ để bơm dầu vào thước lái.
Dấu hiệu để nhận biết một chiếc ô tô đang trang bị hệ thống lái trợ lực bằng thủy lực rất đơn giản, bạn chỉ cần mở nắp capo lên, nhìn xung quanh khoang động cơ, nếu phát hiện thấy một nắp có ghi dòng chữ “Power Steering Fluid” thì loại trợ lực đang trang bị trên xe của bạn là trợ lực lái thủy lực Hầu hết các dòng xe du lịch phổ thông hiện nay như: Vios, Altis, Camry, FORD Focus, FORD Fiesta, KIA Morning, KIA Cerato, HYUNDAI I10, elantra, Mazda3… đều được trang bị kiểu trợ lực lái này
1.2.3.2 Trợ lực lái điện Đây là loại trợ lực lái sử dụng điện để khắc phục nhược điểm của trợ lực thủy lực Khi xe chạy với vận tốc cao, việc đánh lái sẽ trở nên rất nhẹ nhàng nên người lái dễ bị mất cảm giác lái, người lái đánh lái một góc nhỏ nhưng xe quay vòng rất lớn, hệ thống lái trợ lực bằng thủy lực không thể điều chỉnh để giảm trợ lực lái, do đó hệ thống trợ lực lái điện được ra đời để khắc phục tình trạng này. hình 1.5 Cấu tạo trợ lực lái thủy lực trên ô tô
Cấu tạo hệ thống trợ lực lái điện rất đơn giản, nó gồm một mô tơ điện, một trục vít gắn cố định trên trục mô tơ, trục vít ăn khớp với một bánh vít được gắn cố định trên trục lái, mô tơ sẽ được điều khiển bằng một bộ điều khiển thông qua tín hiệu của các cảm biến Phương pháp trợ lực lái này thường được bố trí trên các dòng xe Mercedes-Benz, Audi, BMW, Lexus…, các dòng xe hạng C của Toyota, Honda, Kia, Mazda, Ford….
1.2.3.3 Trợ lực lái thủy lực – điện tử
Trợ lực lái thủy lực – điện tử gọi chính xác hơn là trợ lực lái thủy lực điều khiển điện tử Đúng như tên gọi của nó, hệ thống trợ lực này tương tự như hệ thống trợ lực thủy lực, nhưng điểm khác biệt ở đây là các van điều hướng dầu thủy lực sẽ được điều khiển bởi một bộ điều khiển thông qua các cảm biến thay vì được đóng mở một cách cơ khí do sự tác động của vô lăng trong hệ hình 1.6 Cấu tạo trợ lực lái điện trên ô tô hình 1.7 Cấu tạo trợ lực lái thủy lực – điện tử thống trợ lực thủy lực thông thường Đây là phương pháp trợ lực lái đang được phổ biến hiện nay, nó được trang bị trên nhiều dòng của Nissan, Infinity, Toyota, Lexus, BMW, Audi, Mercedes-Benz, Honda, Ford, Mitsubishi…
CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG LÁI TRỢ LỰC ĐIỆN
Khái quát hệ thống lái trợ lực điện
2.1.1 Các phần tử cơ bản của trợ lực lái điện
Các phần tử chính cua trợ lực lái điện gồm có: Mô tơ điện một chiều; Các cảm biến; Bộ điều khiển trung tâm (ECU); Hộp giảm tốc.
Mô tơ điện của trợ lực lái là một mô tơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu, gắn với bộ truyền động của trợ lực lái Mô tơ chấp hành của trợ lực lái điện có nhiệm vụ tạo ra mô men trợ lực dưới điều khiển của ECU và phải đáp ứng các yêu cầu:
- Mô tơ phải đưa ra được mô men xoắn và lực xoắn mà không làm quay vô lăng.
- Mô tơ phải có cơ cấu đảo chiều quay khi có sự cố xảy ra.
- Những dao động của mô tơ và mô men xoắn, lực xoắn phải trực tiếp chuyển đổi thông qua vành lái tới tay người lái phải được cân nhắc.
- Do vậy Mô tơ điện có các đặc điểm:
- Nhỏ, nhẹ, và có kết cấu đơn giản.
- Lực, mô men xoắn biến thiên nhỏ thông qua điều khiển.
- Dao động và tiếng ồn nhỏ.
- Lực quán tính và ma sát nhỏ.
- Độ an toàn và độ bền cao.
* Bộ điều khiển trung tâm (ECU)
Bộ điều khiển trung tâm (ECU) nhiệm vụ nhận tín hiệu từ các cảm biến, xử lý thông tin để điều khiển mô tơ.
Yêu cầu đối với ECU gồm có:
- Đảm bảo tính tiện nghi khi lái (chức năng điều khiển dòng điện mô tơ) Các chức năng này gồm có:
(1) Điều khiển được dòng điện cấp cho Mô tơ theo qui luật xác định
Tạo ra lực trợ lực (tương ứng với dòng điện cấp cho Mô tơ ) theo tốc độ xe và mô-men đặt lên vành lái để đảm bảo lực lái thích hợp trong toàn dải tốc độ xe.
Giảm thiểu sự biến động của lực lái bằng cách bù dòng điện cấp cho Mô tơ tương ứng với sự biến động mô-men xoắn đầu vào.
Khi ôtô chuyển động với vận tốc thấp,trợ lực lái điện giúp cho vành tay lái trở lại vị trí chuyển động thẳng sau khi đã quay vòng bằng cách bù dòng điện mô tơ.
Khi ô tô chuyển động với vận tốc cao, trợ lực lái giữ ổn định lực tác động lên vành lái ở vị trí đang quay vòng (ví dụ, trong khi chuyển làn đường) bằng cách bù dòng điện cấp cho mô tơ làm cho vành lái có thể dễ dàng trở về vị trí thẳng
(5) Tối đa dòng điện cấp cho mô tơ.
Giới hạn dòng điện của mô tơ tối đa đến mức tối ưu để bảo vệ ECU và mô tơ không bị hư hỏng do quá tải.
- Đảm bảo độ tin cậy (Chức năng tự chuẩn đoán và sửa lỗi) Để đảm bảo độ tin cậy trong ECU sẽ có mạch tự chuẩn đoán và sửa lỗi) Nó sẽ theo dõi sự sai lệch của các phần tử trong hệ thống và khi phát hiện bất kỳ sai lệch nào, nó sẽ điều khiển các chức năng EPS phụ thuộc vào ảnh hưởng của sự sai lệch và cảnh báo cho người lái xe Ngoài ra, nó còn lưu trữ các vị trí các sai lệch trong ECU.
- Đảm bảo tính đối thoại với các hệ thống khác (Chức năng truyền tin và kiểm tra hệ thống EPS).
Các cảm biến có nhiệm vụ cấp tín hiệu mô men lái, vận tốc chuyển động xe và tốc độ trục khuỷu động cơ Về cơ bản trợ lực lái điện có cảm biến mô men lái hoặc tốc độ đánh lái Đa phần hiện nay sử dụng cảm biến mô men lái Các cảm biến này có hai loại chính là có tiếp điểm và không có tiếp điểm Ưu điểm của loại không tiếp điểm là : không bị mòn do lão hóa, từ trễ nhỏ, là ít bị ảnh hưởng bởi dịch chuyển dọc trục và lệch trục.
Giảm tốc có nhiệm vụ tăng lực lái và truyền mô men trợ lực đến cơ cấu lái.
2.1.2 Sơ đồ khối nguyên lý của hệ thống trợ lực lái điện
Trợ lực lái được điều khiển theo các bản đồ được lưu trữ sẵn trong bộ nhớ của ECU EPS ECU có thể lưu trũ 16 bản đồ, các bản đồ này được kích hoạt ở nhà máy phụ thuộc vào các yêu cầu cho trước (ví dụ trọng lượng của ô tô).
1- Dòng cấp mô tơ; 2- Tốc độ mô tơ; 3- Vận tốc mô tơ; 4- Mô men lái; 6- Điều khiển dòng tối đa cho mô tơ; 7- Điều khiển bù rung động; 8- Điều khiển phục hồi; 9- Điều khiển bù; 10- Điều khiển chính; 11- Dòng đích; Hạn chế dòng cấp áp tối đa ra mô tơ; 13- Điều khiển dòng cấp ra mô tơ; 14- Dòng cấp cho mô tơ hình 2 1 Sơ đồ khối nguyên lý trợ lực lái điện
Ngoài ra các bản đồ náy cũng được kích hoạt bằng những công cụ quét ECU hoặc hệ thống lái sau khi bảo dưỡng hoặc thay thế ECU hoặc hệ thống lái Với bất kì một cái xe đã cho thì cả hai bản đồ tương ứng với xe hạng nặng và hạng nhẹ được chon Mỗi bản đồ có 5 đặc tính khác nhau tương ứng với các vận tốc chuyển động của ô tô Các bản đồ này xác định vùng trợ lực lái có thể làm việc.
Nguyên lý làm việc của trợ lực lái gồm các bước:
Bước 1.Trợ lực lái sẽ bắt đầu làm việc khi người lái tác dụng lực để quay vô lăng.
Bước 2.Lực tác dụng lên vành lái sẽ làm cho thanh xoắn trong cơ cấu lái xoay
Cảm biến mô men lái sẽ xác định góc quay của thanh xoắn và gửi các lực lái đã được tính toán đên ECU
Bước 3.Cảm biến góc quay của vô lăng sẽ thông báo góc quay vành lái và tốc độ đánh tay lái hiện thời.
Bước 4.Phụ thuộc vào lực lái, tốc độ chuyển động, tốc độ động cơ, góc quay vô lăng, tốc độ đánh tay lái và bản đồ được lưu giữ trong ECU, EPS ECU sẽ tính toán lực trợ lực cần thiết và gửi đến động cơ điện. bảng đồ 1 điều khiển ECU trong hệ thống trợ lực lái điện
Bước 5.Trợ lực lái sẽ tác động lên cơ cấu lái một lực trợ lực song song với lực đặt lên vành lái.
Bước 6.Tổng của lực đặt lên vành lái và lực trợ lực sẽ tác động lên cơ cấu lái để quay vòng xe.
Cấu tạo và nguyên lý làm việc của EPS
Tùy thuộc vào vị trí đặt hộp giảm tốc có 2 kiểu trợ lực điện: Kiểu thứ nhất, hộp giảm tốc đặt trực tiếp trên trục lái ngay dưới vành lái Kiểu thứ hai, hộp giảm tốc được tích hợp vào cơ cấu lái (trong trường hợp này cơ cấu lái thường là loại bánh răng – thanh răng và đặt trực tiếp trên thanh lái ngang).
2.2.1 Hệ thống lái có trợ lực điện kiểu 1
Trong hệ thống trợ lực lái kiểu này được sử dụng trên xe Kia Mornig,
2009, Toyota Vioss 2008, Corolla altis 2009 có một môtơ điện trợ lực cùng cơ cấu giảm tốc trục vít- bánh vít được bố trí ở trục lái chính ( trước đoạn các đăng trục lái) Tại đây cũng bố trí cảm biến mômen lái Cạnh đó là bộ điều khiển điện tử của trợ lực lái điện (EPS ECU) Trên hình 1.4 là cấu tạo hộp giảm tốc.
1- moto; 2- cảm biến mômen; 3- trục lái; 4- trục vít - bánh vít; 5- cơ cấu lái trục răng - thanh răng; 6- ly hợp điện từ hình 2 2 Trợ lực lái điện với moto trợ lực trên trục lái
1-vòng bi; 2- trục vít; 3- vỏ trục lái; 4- khớp nối; 5- roto; 6- stator; 7- trục môtơ; 8- trục lái chính; 9- bánh vít
Sơ đồ khối nguyên lý của hệ thống.
Hệ thống được điều khiển theo sơ đồ tổng quát hình trên đó có thể nhận thấy các tín hiệu đầu vào của EPS ECU gồm 4 nhóm tín hiệu chính: hình 2 4 Tổng quát hệ thống điều khiển hình 2 3 Hộp giảm tốc dùng cho trợ lực lái kiểu 1
Sơ đồ trợ lực lái kiểu 1
Tín hiệu cảm biến mô men số 1;B- Tín hiệu cảm biến mô men số2; 1- Giắc nối đa năng số 1; 2- Giắc nối đa năng số 2; 3- Táp lô; 4- ABS+TRC ECU; 5- Cảm biến tốc độ ô tô; 6- ECU Mô tơ ; 7- Cảm biến vị trí trục khuỷu; 8- Đèn báo; 9-
Mô tơ trợ lực;10- EPS ECU; 11- Giắc kết nối dữ liệu số 1; 12- Giắc kết nối dữ liệu số 2
• Nhóm tín hiệu (2 hoặc 4 tín hiệu) từ cảm biến mômen lái
• Tín hiệu vận tốc chuyển động ô tô có thể gửi trực tiếp về EPS ECU hoặc thông qua ECU truyền lực và mạng điều khiển vùng ( CAN – Controller Area Network) và các giắc nối truyền tới EPS ECU.
• Tín hiệu tốc độ mô tơ ( xung biểu diễn số vòng quay trục khuỷu ne từ cảm biến trục khuỷu) thông qua ECU động cơ và mạng CAN truyền tới EPS ECU.
• Nhóm dữ liệu cài đặt và tra cứu thông qua giắc kết nối dữ liệu DLC3 (Data Link Connector) để truy nhập các thông tin cài đặt và tra cứu thông tin làm việc của hệ thống và báo lỗi hệ thống.
1- Đèn báo; 2-EPS ECU; 3- ECU Mô tơ ; 4- Bảng táp lô;5- Trục lái(cảm biến mô men, Mô tơ điện 1 chiều,cơ cấu giảm tốc);6- ECU điều khiển trượt. hình 2 5 Bố trí các cụm và Taplô thể hiện đèn báo lỗi P/S
Những sự cố trong quá trình vận hành hệ thống được ghi lại trong bộ nhớ của EPS ECU và cảnh báo bằng đèn P/S trên Bảng táp lô 4
2.2.2 Hệ thống lái có trợ lực điện kiểu 2
Kiểu này có 2 cách bố trí mô tơ trợ lực:
Thứ nhất là loại môtơ chế tạo rời lắp với trục bánh răng của cơ cấu lái sử dụng trên xe Toyota Lexus.
Thứ hai là loại môtơ được chế tạo liền khối với cơ cấu lái Loại này sử dụng trên xe BMW Trong trợ lực lái loại này mô tơ trợ lực được chế tạo liền với cơ cấu lái và là một bộ phận cấu thành của cơ cấu lái Phương án này rất gọn, tuy nhiên giá thành hệ thống cao Phương án này đang được áp dụng cho dòng xe Lexus đời 2006.
1- Khớp cầu; 2- Chụp cao su; 3- Thanh lái; 4- Mô tơ; 5- Giắc điện; 6- Trục lái
Cấu tạo mô tơ thể hiện ở hình Phần kéo dài của thanh răng 13 được chế tạo dưới dạng trục vít và trục vít này ăn khớp với đai ốc 7 liên kết cứng với rôto
10 của mô tơ trợ lực lái thông qua các viên bi tuần hoàn 9. hình 2 6 Môtơ trợ lực lắp rời trên cơ cấu lái
1- Cảm biến mô men; 2- Vành tay lái; 3- Cảm biến góc quay; 4- Mô tơ trợ lực; 5- Tăng điện thế. hình 2 8 Cụm mô tơ và trục vít, thanh răng và cảm biến góc quay
1-Cảm biến mô men; 2- Stator; 3- Cuộn dây; 4- Bi cầu; 5- Giắc điện;
6- Gioăng làm kín; 7- Đai ốc; 8-Chốt ; 9- Bi cầu; 10- Rô to; 11- Nam châm; 12-
Vỏ thanh răng; 13- Thanh răng của cơ cấu lái; 14- Vòng bi
Cảm biến mô men là loại không tiếp điểm được bố trí trên trục lái, cấu tạo của nó thể hiện trên hình Để điều khiển chế độ trợ lực ( Điều khiển mô tơ trợ lực) cảm biến mô men lái gửi tín hiệu giá trị mômen về EPS ECU EPS ECU sẽ tính toán chế độ trợ lực theo chương trình đã được cài đặt sẵn và điều khiển mô tơ trợ lực bằng hình 2 7 Sơ đồ trợ lực lái điện trên cơ cấu lái chuỗi xung để tạo ra các mức điện áp khác nhau tùy theo việc cần trợ lực mạnh hay yếu.
Trong hệ thống điều khiển này để tăng độ nhạy chấp hành và giảm kích thước, trọng lượng mô tơ điều khiển EPS ECU có thêm mạch tăng thế, nâng điện áp điều khiển lên gấp đôi (24V), cụm 5 trên hình. hình 2 9 Cụm mô tơ và trục vít, thanh răng và cảm biến góc quay
1- Trục bánh răng của cơ cấu lái; 2- Thanh xoắn; 3- Trục vào; 4- Thanh răng; 5- Cuộn phân tích 1; 6- Cuộn phân tích 2.
Các tín hiệu từ động cơ, hệ thống phanh thông qua mạng CAN gửi về EPS ECU, còn các tín hiệu từ các cảm biến khác được gửi trực tiếp về EPS ECU EPS ECU sẽ tính toán và đưa ra lệnh điều khiển mô tơ lực, trong đó tín hiệu của cảm biến mômen đóng vai trò quan trọng nhất.
Các cảm biến trong hệ thống lái trợ lực điện
Trong trợ lực lái điện, có một phần tử rất quan trọng không thể thiếu đó là các cảm biến Các cảm biến này có nhiệm vụ truyền thông tin đến ECU để ECU sử lý thông tin và quyết định vòng quay của môtơ trợ lực.
Các cảm biến trong hệ thống lái trợ lực điện – điện tử gồm: Cảm biến mômen lái, cảm biến tốc độ đánh lái ( tốc độ quay vành lái ), cảm biến tốc độ ôtô.
2.3.1 Cảm biến tốc độ đánh lái
2.3.1.1 Loại máy phát điện Được dẫn động từ trục lái thông qua các cặp bánh răng tăng tốc làm tăng tốc độ quay và phát ra điện áp 1 chiều tuyến tính tỉ lệ với tốc độ quay của trục lái Tín hiệu của máy phát phát ra được hiệu chỉnh và khuyếch đại thông qua 1 bộ khuyếch đại.
1- Trục răng; 2- Biến thế vi sai; 3- Mạch giao diện; 4- Trục vào; 5- Thanh xoắn; 6- Bánh răng trung gian; 7- Mô tơ; 8- Cơ cấu cam; 9- Lõi thép trượt; 10- Cánh
2.3.1.2 Loại cảm biến tốc độ đánh lái loại hiệu ứng Hall
Có cấu tạo đơn giản hơn, dễ lắp đặt và đặc tính ra là dạng xung số Vì vậy các xe ngày nay thường sử dụng loại cảm biến này.
Cấu tạo của cảm biến gồm 1 rôto nam châm nhiều cực gắn với trục lái Một IC Hall được đặt đối diện với vành nam châm ( Cách 1 khe hở nhỏ: 0,2 ÷ 0,4 mm) Cảm biến được cấp nguồn điện 12v một chiều Khi đánh tay lái, vành nam châm sẽ quay và từ trường của nam châm tác động vào IC Hall tạo ra chuỗi xung vuông 0v ÷ 5v Số xung tăng dần theo góc quay trục lái Tín hiệu này sẽ được gửi về EPS ECU và phân tích thành góc quay trục lái và tốc độ đánh lái ( nếu đặt vào mạch đếm thời gian). hình 2 10 Cấu tạo và tín hiệu của cảm biến tốc độ đánh lái a- Cấu tạo; b- Xung của cảm biến 1- Vỏ; 2- Rô to nam châm; 3- Ổ bi; 4- IC Hall; 5- Giắc điện; 6- Nhựa từ tính
Gồm 1 lõi thép được lắp lỏng trượt trên trục lái, trên đó có 1 rãnh chéo, rãnh này sẽ được lắp với 1 chốt trên trục lái Phía ngoài lõi thép là 3 cuộn dây quấn: 1 cuộn sơ cấp và 2 cuộn thứ cấp Cuộn sơ cấp được cấp 1 nguồn điện xoay chiều tần số cao Tùy thuộc vào vị trí của lõi thép mà suất điện động cảm ứng ra trong hai cuộn dây thứ cấp khác nhau Tín hiệu của 2 cuộn thứ cấp được chỉnh lưu và đưa về mạch so sánh để biến đổi thành điện áp tuyến tính tỉ lệ với góc xoắn của 1 thanh xoắn đặt giữa trục lái và cơ cấu lái ( Như trong van trợ lực thủy lực loại van xoay).
Ba trạng thái của rãnh chéo và chốt và lõi thép tương ứng với các trường hợp quay vòng phải, vị trí trung gian và quay vòng trái cũng được thể hiện trên Hình. hình 2 11 Cảm biến tốc độ đánh lái ( góc đánh lái) loại Hall
1- Lái phải 2- Trung gian; 3- Lái trái;
4- Cuộn sơ cấp 5,7- Cuộn thứ cấp 6- Lõi thép trượt;
Gồm trục vào ( gắn với phần trên trục lái), trục ra ( gắn với phần nối tiếp của trục lái tới cơ cấu lái), giữa trục vào và trục ra được liên kết bằng 1 thanh xoắn Trên trục vào lắp 1 vành cảm ứng số 1 có các rãnh để cài với các răng của vành cảm ứng số 2 Còn vành cảm ứng số 3 cũng có các răng và rãnh được lắp trên trục ra Phía ngoài các vòng cảm ứng là các cuộn dây được chia ra các cuộn dây cảm ứng và cuộn dây bù Sơ đồ nguyên lý của cảm biến và đặc tính được trình bày trên hình hình 2 12 Sơ đồ đặc tính và các vị trí làm việc của cảm biến mômen lái loại lõi thép trượt
1- Cảm biến mô men; 2- Trục lái chính; 3- Bộ giảm tốc; 4- Vô lăng; 5- Vành phát hiện 1; 6- Trục sơ cấp;7- Cuộn dây bù;8-Vành cảm ứng 1; 9- Vành cảm ứng 3; 10- Trục thứ cấp; 11- Từ trục lái; 12- Từ cơ cấu lái; 13-Vành cảm ứng 2
2.3.3 Loại 4 vành dây hình 2 14 Cấu tạo cảm biến mômen lái loại 4 vành dây
1-Vành 2; 2-Thanh xoắn; 3- Vành 1; 4- Trục vào;5- Vành 1(phần Stator); 6- Vành 2(Stator);7- Trục ra hình 2 13 Vị trí lắp, cấu trúc và đặc tính của cảm biến mômen lái loại lõi thép xoay
- Phần stato có 2 vành dây, các dây được cuốn trên các răng thép định hình
- Phần rôto có 2 vành dây: 1 vành được gắn với trục răng, phần thứ 2 được gắn với cácđăng trục lái Giữa vành thứ nhất và thứ hai có thể xoay lệch nhau
1 góc bằng góc xoắn của thanh xoắn ( Khoảng 7 độ 58 phút)
Sơ đồ bố trí các cuộn dây và xung của cảm biến được trình bày trên hình.
2.3.4 Cảm biến tốc độ ôtô
- Loại công tắc lưỡi gà
- Loại mạch từ trở MRE
2.3.4.1 Loại công tắc lưỡi gà
Gồm 1 tiếp điểm lá đặt trong một ống thủy tinh nhỏ và đặt cạnh một mâm nam châm quay Mâm nam châm được dẫn động bởi dây côngtơmét.
Khi ô tô chuyển động, thông qua bánh vít- trục vít ở trục thứ cấp hộp số làm cho dây côngtơmét quay và làm quay mâm nam châm Từ trường của nam châm làm cho công tắc lưỡi gà đóng, mở theo nhịp quay của mâm nam châm hình 2 15 Sơ đồ nguyên lý và xung của cảm biến mômen lái loại 4 vành dây và tạo ra chuỗi xung vuông Cảm biến này thường được lắp ngay sau công tơ mét ( đồng hồ tốc độ ôtô) ở bảng táplô.
1- Nối với cáp đồng hồ tốc độ; 2- Nam châm; 3- Công tắc lưỡi gà
2.3.4.2 Loại từ - điện hình 2 17 Cảm biến loại từ điện
1- Rô to; 2- Cảm biến tốc độ; 3- Trục thứ cấp Gồm 1 cánh phát xung được lắp ở trục thứ cấp hộp số và 1 cuộn phát xung với 3 phần tử: Lõi thép, nam châm và cuộn dây Được đặt cách cánh phát xung một khe hở 0,5 ÷ 1,0 mm Mỗi lần cánh phát xung lướt qua đầu cuộn phát xung thì ở cuộn dây sẽ cảm ứng ra 1 cặp. hình 2 16 Cảm biến loại công tắc lưỡi gà
2.3.4.3 Loại quang điện: Được lắp ngay sau đồng hồ côngtơmét Nó gồm 1 cánh xẻ rãnh được dẫn động quay từ dây côngtơmét Cánh xẻ rãnh quay giữa khe của đèn LED và phototransittor ( Tranzito quang) Tốc độ quay của cánh sẻ rãnh tỉ lệ với tốc độ ô tô và lần lượt che và thông luồng ánh sáng từ đèn LED sang tranzito quang để tạo nên chuỗi xung vuông 0V– 5V tỷ lệ với tốc độ quay của trục thứ cấp hộp số phản ảnh tốc độ ôtô.
1- Nối với cáp đồng hồ tốc độ; 2- Tranzito; 3- Cặp quang điện; 4- Bánh xe có khía rãnh
2.3.4.4 Loại mạch từ trở MRE:
Cảm biến được lắp ở trục thứ cấp hộp số Cảm biến gồm 1 vòng nam châm nạp nhiều cực lắp trên trục của cảm biến Khi vòng nam châm quay, từ trường sẽ tác động lên mạch từ trở MRE và tạo ra các xung xoay chiều tại 2 hình 2 18 Cảm biến loại quang điện hình 2 19 Cảm biến tốc độ ôtô loại MRE đầu mút 2 và 4 của mạch MRE Các xung đưa tới bộ so và điều khiển tranzito để tạo xung 0v – 12v ở đầu ra của cảm biến Tần số xung tỉ lệ với tốc độ ôtô.
1- Trục thứ cấp của hộp số; 2- Bánh răng bị động; 3- Cảm biến tốc độ; 4- HIC có gắn MRE bên trong; 5- Các vòng từ tính
PHÂN TÍCH KẾT CẤU VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA HỆ THỐNG LÁI TRÊN XE TOYOTA YARIS 2018
Giới thiệu về Toyota Yaris 2018
3.1.1 Thông số của xe Toyota Yaris 2018
- Toyota Yaris 2018 là một trong hai mẫu hachback chủ lực của hảng Toyota: Yaris, Wigo.
- Toyota Yaris 2018 được trang bị động cơ xăng 1.5L, đi kèm với hộp số vô cấp và ứng dụng nhiều công nghệ mới nên tăng cường cho xe khả năng vận hành mạnh mẽ những lúc cần bức phá tốc độ, và vẫn đảm bảo độ êm dịu tiện nghi cho người ngồi trên xe.
- Thiết kế nội và ngoại thất mang phong cách thể thao trẻ trung với nhiều điểm nhấn sang trọng và cao cấp hơn Bên cạnh đó xe được trang bị nhiều hệ thống an toàn và tiện nghi: hệ thống túi khí, hệ thống chống hãm cứng bánh xe ABS.
Danh tiếng toàn cầu với sức mạnh và độ tin cậy tuyệt đối, Toyota Yaris
2018 khẳng định những giá trị truyền thống dựa trên nền tảng mới của thiết kế và công nghệ một cách thiết phục. hình 3 1 Hình dáng tổng thể xe Toyota corolla
Bảng 1 Các thông số kỹ thuật chính của ô tô TOYOTA YARIS 2018
TT Thông Số Kí Hiệu Đơn Vị Giá Trị
1 Chiều dài tổng thể L mm 4145
2 Chiều rộng tổng thể B mm 1730
3 Chiều cao tổng thể H mm 1500
4 Chiều dài cơ sở Lcs mm 2550
5 Chiều rộng cơ sở Trước mm 1520
6 Trọng lượng toàn bộ G KG 1120
7 Số chỗ ngồi (kể cả người lái) n Chỗ 05
10 Dung tích xi lanh cc 1987
11 Công suất cực đại (Kw/v/ph) 139/5600
12 Momen xoắn cực đại (Nm/v/ph) 189/4400
13 Tốc độ động cơ (km/h) 193
Bảng 2 Giới thiệu về các hệ thống và các trang thiết bị của xe TOYOTA COROLLA ALTIS 1.8
TT Tên hệ thống, trang thiết bị Loại thiết bị
2 Hệ thống treo Trước Kiểu McPherson
3 Hệ thống phanh Trước Đĩa thông gió 15’’
4 Hệ thống lái Trọ lực điện
Màu Cùng màu thân xe
Tích hợp đèn bảo vệ Có
8 Hệ thống gạt nước mưa Gián đoạn, điều chỉnh bán thời gian
9 Tấm ốp hướng cản trước Có
10 Tấm ốp hướng gió sườn trái/phải
11 Tấm ôp cản gió sau Có
12 Chụp ống xạ mạ crom Có
Loại 4 chấu, bọc da có lẫy chuyển số Điều chỉnh 4 hướng Có Âm thanh Có
Màn hình hiển thị đa thông tin
15 Bảng đồng hồ Loại Optrion
16 Cửa sổ điều hỉnh điện Có
17 Khóa cửa trung tâm Có
18 Khóa cửa từ xa Có
19 Tay nắm cần số ốp gỗ & mạ bạc
20 Hệ thống âm thanh Loại AM/FM/MP3/WMA
21 Hệ thống điều hòa nhiệt độ Chỉnh tay
Ngả Có Điều chỉnh độ cao mặt ghế Có
27 Chốt an toàn cho trẻ em Có
28 Hệ thống chống trộm Có
30 Dây đai an toàn Có(tất cả ghế)
31 Khung hấp thụ xung lực GOA Có
3.1.2 An toàn cùng Toyota Yaris 2018
Không có gì quý giá và quan trọng hơn sự an toàn của bạn, nhất là khi tăng tốc vượt chướng ngại vật Hiểu được điều này, Toyota đã trang bị cho chiếc xe Toyota Yaris 2018 hoàn toàn mới các hệ thống an toàn vượt trội Mẫu xe mới này hội tụ các tính năng an toàn chủ động và bị động tân tiến nhất, nhằm mang lại sự an toàn tối đa cho hành khách và người lái Toyota Yaris 2018 sử dụng hệ thống lái trợ lực điện hỗ trợ và đảm bảo an toàn cho việc điều khiển cho người lái.
Cùng với cấu trúc thân xe, ốp cửa cũng sử dụng vật liệu hấp thu xung lực để giảm thiểu lực tác dụng và ảnh hưởng tới hành khách khi có va chạm bên Hai túi khí SRS phía trước được lắp đặt trong chiếc Yaris 2018 mới sẽ bảo vệ tối đa hành khách và người lái khi xảy ra va chạm, và nâng cao hơn tính năng an toàn Hệ thống chống bó cứng phanh ABS với cơ chế phân bổ lực phanh điện tử EBD giúp bánh xe không bị bó cứng và ổn định ngay cả khi phanh gấp trên đường trơn trượt; Phanh đĩa ở cả 4 bánh cùng hệ thống hỗ trợ lực phanh khẩn cấp (BA) giúp phanh chính xác và hiệu quả ở những tình huống khẩn cấp.
Phanh đĩa trên cả 4 bánh tạo lực phanh hiệu quả và chính xác Phanh đĩa thông gió ở bánh trước giúp tránh hiện tượng mất phanh Đặc biệt, cấu trúc ghế có thiết kế giảm chấn thương đốt sống cổ Trong trường hợp có va chạm từ phía sau, cấu trúc này sẽ nâng đỡ đồng thời vùng đầu và cột sống giúp giảm thiểu áp lực lên cổ.
Hệ thống lái trợ lực điện trên xe Toyota Yaris 2018
3.2.1 Giới thiệu tổng quan về hệ thống lái trên xe Toyota Yaris 2018
- Toyota Yaris 2018 sử dụng hệ thống lái trợ lực bằng điện Cấu tạo của hệ thống gồm các bộ phận chính: Vành tay lái, trục lái, bộ trợ lực điện, cơ cấu lái, dẫn động lái.
- Bộ trợ lực được đặt trên trục lái gồm: ECU, mô tơ điện, các cảm biến và dây dẫn.
- Cơ cấu lái là loại thanh răng bánh răng Loại này có kết cấu nhỏ gọn, độ nhạy cao, chế tạo đơn giản.
- Tay lái có thể điều chỉnh gật gù, gần xa để thích hợp với từng người lái.
3.2.2.1 Cụm vô lăng hình 3 2 Cụm vô lăng
1-Vô lăng; 2-Nắp che dưới vô lăng; 3-Mặt vô lăng.
Chức năng: có chức năng tiếp nhận mômen quay từ người lái rồi truyền cho trục lái.
Vô lăng loại 4 chấu hình tròn bên trong bằng thép bọc nhựa bên ngoài Gồm các chi tiết:
+ Mặt vô lăng 3: Là nơi bố trí công tắc còi và túi khí lái xe.
+ Các đai ốc và momen xiết chuẩn như trên hình.
+ Ngoài ra còn có các nút điều khiển khác trên mặt vô lăng như điều khiển âm lượng, radio, nghe gọi điện thoại
- Trục lái là thành tố cấu thành hệ thống lái có chức năng chính là truyền momen lái từ vô lăng đến cơ cấu lái Một trục lái đơn giản chỉ bao gồm trục lái và các bộ phận bao che trục lái Trục lái trên xe Toyota Yaris 2018 có cấu tạo phức tạp hơn nó cho phép thay đổi độ nghiêng của vành tay lái hoặc cho phép trụ lái chùm ngắn lại khi người lái va đập trong trường hợp xảy ra tai nạn để hạn chế tác hại đối với người lái Ngoài ra trụ lái còn là nơi lắp đặt nhiều bộ phận khác của ôtô như : cần điều khiển hệ thống đèn, cần điều khiển gạt nước, cần điều khiển hộp số, hệ thống dây điện và các đầu nối điện,
1- Đầu trục nối với vô lăng; 2- Vòng chặn; 3- Ổ bi; 4- Trục trượt; 5- Ống trượt trục; 6- Tấm hãm; 7- Vòng bi; 8- Trục chính; 9- Giá đỡ trên trục; 10- Khớp các đăng; 11- Trục các đăng; 12- Vòng chặn; 13- Bu lông hãm; 14- Cần khoá
- Trục các đăng là bộ phận nối chuyển tiếp giữa trục lái và cơ cấu lái Trên trục các đăng có khớp nối chữ thập Khớp chữ thập cho phép có độ lệch giữa trục lái và trục vít của cơ cấu lái khi hai trục này không đồng trục với nhau. Một số bộ phận khác lắp trên trục lái:
- Cụm công tắc điều khiển và cáp xoắn.
+ Điều khiển đèn xi nhan, đèn pha, gạt mưa, nước rửa kính. hình 3 3 Cấu tại trục lái
+ Bố trí dưới vô lăng, gồm 2 cần điều khiển giúp người lái thuận tiện điều khiển đèn, gạt mưa khi đang lái xe.
+ Cáp xoắn: Là bộ phận của hệ thống túi khí có chức năng chuyền dòng kích nổ của bộ cảm biến túi khí trung tâm đến bộ thổi khí. hình 3 4 Cụm công tắc
- Cụm khóa điện: Có chức năng khóa lái, bật khóa điện, khởi động động cơ và tắt động cơ.
- Cơ cấu lái là loại thanh răng bánh răng:
+ Chức năng biến chuyển động quay từ trục lái thành chuyển động ngang của thanh răng từ đó chuyền ra các bánh dẫn hướng.
+ Được truyền chuyển động từ trục lái thông qua trục lái trung gian Trục lái trung gian gồm 2 khớp nối các đăng 2 đầu.
- Dẫn động lái: hình 3 5 Cụm thước lái
1- Rô tuyn lái ngoài 2-Đai ốc rô tuyn lái trong 3-Rô tuyn lái trong 4- Cao su chắn bụi
Dẫn động lái trên ôtô Toyota Yaris 2018 bao gồm tất cả các chi tiết truyền lực từ cơ cấu lái đến ngõng quay của các bánh xe Bộ phận cơ bản và quan trọng nhất của dẫn động lái là hình thang lái, được tạo bởi cầu trước, đòn kéo ngang, và các cạnh bên Nó có nhiệm vụ đảm bảo động học quay vòng đúng cho các bánh xe không bị trượt lê khi quay vòng Do đó làm giảm mài mòn lốp, giảm tổn hao công suất và tăng tính ổn định khi quay vòng. hình 3 6 Kết cấu khớp cầu của thanh kéo bên (rô tuyn lái ngoài)
1- Vòng kẹp; 2- Bạc lót; 3- Khớp cầu; 4- Cao su giảm chấn; 5- Lò xo.
3.2.2.4 Cơ cấu trợ lực lái
- Mô tơ điện trợ lực:
+ Mô tơ điện trợ lực lái là một mô tơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu, gắn trên trục lái Có nhiệm vụ cung cấp 1 lực hỗ trợ người lái quanh vòng.
+ Mô tơ điện trợ lực nhận tín hiệu điều khiển của ECU để cung cấp lực hỗ trợ đã được tính toán và cái đặt từ trước.
+ Cấu tạo mô tơ trợ lực điện. hình 3 7 Mô tơ điện trợ lực
1-vòng bi; 2- trục vít; 3- vỏ trục lái; 4- khớp nối; 5- roto; 6- stator; 7- trục môtơ; 8- trục lái chính; 9- bánh vít
- Cảm biến momen lái (loại lõi thép xoay)
Khi người lái xe điều khiển vô lăng, mô men lái tác động lên trục sơ cấp của cảm biến mô men thông qua trục lái chính Người ta bố trí vòng phát hiện một và hai trên trục sơ cấp phía vô lăng và vòng phát hiện thứ ba trên trục thứ cấp Trục sơ cấp và trục thứ cấp được nối với nhau bằng một thanh xoắn.
1- Vòng phát hiện thứ nhất
4- Vòng phát hiện thứ hai
6- Vòng phát hiện thứ ba
7- Trục thứ cấp hình 3 8 Cấu tạo cảm biến mô men trục lái
- Cảm biến tốc độ oto (loại điện từ)
1- Rô to; 2- Cảm biến tốc độ; 3- Trục thứ cấp Gồm 1 cánh phát xung được lắp ở trục thứ cấp hộp số và 1 cuộn phát xung với 3 phần tử: Lõi thép, nam châm và cuộn dây Được đặt cách cánh phát xung một khe hở 0,5 ÷ 1,0 mm Mỗi lần cánh phát xung lướt qua đầu cuộn phát xung thì ở cuộn dây sẽ cảm ứng ra 1 cặp.
- ECU trợ lực lái: Bộ điều khiển trung tâm (ECU) nhiệm vụ nhận tín hiệu từ các cảm biến, xử lý thông tin để điều khiển mô tơ Được lắp ở dưới ốp bảng táp lô.
Nguyên lý hoạt động hệ thống lái trợ lực trên xe Toyota Yaris 2018
hình 3 9 Cảm biến loại từ điện hình 3 10 Kết cấu bố trí hệ thống lái trợ lực điện
1-Cơ cấu lái; 2-mô tơ điện; 3-hộp số truyền, 4-cảm biến momen trục lái; 5-cảm biến tốc độ oto; 6-ECU; 7-các đường điện.
+ Khi quay người lái quay vành tay lái sang trái hoặc sang phải lực quay vòng sẽ được truyền xuống trục lái chính.
+ Trục lái quay, mô men lái thanh xoắn bị xoắn tạo ra độ lệch pha giữa vòng phát hiện thứ hai và ba Dựa trên độ lệch pha này một tín hiệu tỉ lệ với mô men được đưa vào ECU.
+ Đồng thời cảm biến tốc độ ô tô cũng gửi tín hiệu đến ECU trợ lực lái Tùy thuộc vào từng tốc độ ô tô mà cần lực hỗ trợ khác nhau.
+ ECU nhận thông tin từ các cảm biến, xử lý các thông tin đã nhận Từ đó đưa ra tín hiệu điều khiển tới mô tơ điện Tín hiệu điều khiển là cường độ dòng điện cung cấp cho mô tơ điện.
+ Mô tơ điện được điều khiển lực hỗ trợ bằng ECU, mô tơ hỗ trợ 1 lực quay vòng trục lái thông qua hộp số truyền.
+ Trục lái được nối và truyền mô men đến trục lái trung gian Trục lái trung gian có các khớp các đăng để đảm bảo mô men quay khi thay đổi vị trí trục lái, vành tay lái.
+ Trục lái trung gian truyền momen đến cơ cấu lái Ở cơ cấu lái chuyển động quay của bánh răng được biến đổi thành chuyển động ngang của thanh răng.
+ Chuyển động ngang của thanh răng được dẫn đến các bánh xe dẫn hướng nhờ dẫn động lái Bánh dẫn hướng sẽ quay sang hướng mong muốn của người lái với lực hỗ trợ được ECU tính toán và điều khiển mô tơ điện.
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG LÁI
Các số liệu tham khảo, và lựa chọn thông số
4.1.1 Các thông số của xe du lịch TOYOTA
Chiều dài toàn bộ xe : 4530 mm
Chiều rộng toàn bộ xe : 1705 mm
Chiều dài cơ sở : 2450 mm
Vệt bánh trước của xe : 1520 mm
Vệt bánh sau của xe : 1530 mm
4.1.2 Thông số hệ thống lái
Khoảng cách giữa hai trụ đứng : B= 1440 mm Góc tạo bởi đòn bên hình thang lái và phương ngang : θ = 780 Chiều dài đòn bên hình thang lái : m = 160 mm Khoảng cách giữa đòn ngang và trụ trước : y = 182 mm Chiều dài đòn thanh nối bên hình thang lái : p = 250 mm
Phân tích lựa chọn phương án thiết kế
4.2.1 Phương án dẫn động lái
Dẫn động lái gồm tất cả các chi tiết truyền lực từ cơ cấu lái đến ngỗng quay của tất cả các bánh xe dẫn hướng khi quay vòng
Phần tử cơ bản của dẫn động lái là hình thang lái, nó được tạo bởi cầu trước, đòn kéo ngang và các đòn bên Sự quay vòng của ôtô là rất phức tạp, để đảm bảo đúng mối quan hệ động học của các bánh xe phía trong và phía ngoài khi quay vòng là một điều khó thực hiện vì phải cần tới dẫn động lái 18 khâu Hiện nay người ta chỉ đáp ứng điều kiện gần đúng của mối quan hệ động học đó bằng hệ thống khâu khớp và đòn kéo tạo lên hình thang lái.
4.2.1.1 Dẫn động lái bốn khâu, (Hình thang lái Đantô)
Hình thang lái bốn khâu đơn giản dễ chế tạo đảm bảo được động học và động lực học quay vòng các bánh xe Nhưng cơ cấu này chỉ dùng trên xe có hệ thống treo phụ thuộc (lắp với dầm cầu dẫn hướng ) Do đó chỉ được áp dụng cho các xe tải và những xe có hệ thống treo phụ thuộc, còn trên xe du lịch ngày nay có hệ thống treo độc lập thì không dùng được.
4.2.1.2 Dẫn động lái sáu khâu
Dẫn động lái sáu khâu được lắp đặt hầu hết trên các xe du lịch có hệ thống treo độc lập lắp trên cầu dẫn hướng Ưu điểm của dẫn động lái sáu khâu là dễ lắp đặt cơ cấu lái, giảm được không gian làm việc, bố trí cường hoá lái thuận tiện ngay trên dẫn động lái
Hiện nay, dẫn động lái sáu khâu được dùng rất thông dụng trên các loại xe du lịch như : Toyota, Nisan…
Với đề tài “Thiết kế tính toán hệ thống lái cho xe toyota yaris 2018”, hệ thống treo độc lập do đó ta chọn dẫn động lái sáu khâu Đặc điểm của dẫn động lái sáu khâu là có thêm thanh nối nên ngăn ngừa được ảnh hưởng sự dịch chuyển của bánh xe dẫn hướng này lên bánh xe dẫn hướng khác.
Hình 4 1 hình thang lái đan tông
Hình 4 2 Dẫn động lái 6 khâu
4.2.2 Phương án thiết kế cơ cấu lái
Yêu cầu với cơ cấu lái
• Có thể quay được cả hai chiều để đảm bảo chuyển động cần thiết của xe
• Có hiệu suất cao để lái nhẹ, trong đó cần có hiệu suất thuận lớn hơn hiệu suất nghịch để các va đập từ mặt đường được giữ lại phần lớn ở cơ cấu lái
• Đảm bảo thay đổi trị số của tỷ số truyền khi cần thiết
• Đơn giản trong việc điều chỉnh khoảng hở ăn khớp của cơ cấu lái
• Độ dơ của cơ cấu lái là nhỏ nhất
• Đảm bảo kết cấu đơn giản nhất, giá thành thấp và tuổi thọ cao
• Chiếm ít không gian và dễ dàng tháo lắp
Lực dùng để quay vô lăng được gọi là lực lái ,giá trị của lực này đạt giá trị max khi xe đứng yên tại chỗ, và giảm dần khi tốc độ của xe tăng lên và đạt nhỏ nhất khi tốc độ của xe lớn nhất
Sự đàn hồi của hệ thống lái có ảnh hưởng tới sự truyền các va đập từ măt đường lên vô lăng Độ đàn hồi càng lớn thì sự va đập truyền lên vô lăng càng ít, nhưng nếu độ đàn hồi lớn quá sẽ ảnh hưởng đến khả năng chuyển động của xe Độ đàn hồi của hệ thống lái được xác định bằng tỷ số góc quay đàn hồi tính trên vành lái vô lăng và mô men đặt trên vành lái Độ đàn hồi của hệ thống lái phụ thuộc vào độ đàn hồi của các phần tử như cơ cấu lái, các đòn dẫn động
Hiện nay cơ cấu lái thường dùng trên ôtô có những loại: trục răng – thanh răng, trục vít cung răng, trục vít con lăn, trục vít chốt quay và loại liên hợp
4.2.2.1 Kiểu trục răng – thanh răng
Cơ cấu lái kiểu trục răng – thanh răng gồm bánh răng ở phía dưới trục lái chính ăn khớp với thanh răng, trục bánh răng được lắp trên các ổ bi Điều chỉnh các ổ này dùng êcu lớn ép chặt ổ bi, trên vỏ êcu đó có phớt che bụi đảm bảo trục răng quay nhẹ nhàng
Hình 4 3 Cơ cấu lái trục răng thanh răng
Thanh răng có cấu tạo dạng răng nghiêng, phần cắt răng của thanh răng nằm ở phía giữa, phần thanh còn lại có tiết diện tròn Khi vô lăng quay, bánh răng quay làm thanh răng chuyển động tịnh tiến sang phải hoặc sang trái trên hai bạc trượt.Sự dịch chuyển của thanh răng được truyền tới đòn bên qua các đầu thanh răng, sau đó làm quay bánh xe dẫn hướng quanh trụ xuay đứng
Cơ cấu lái đặt trên vỏ xe để tạo góc ăn khớp lớn cho bộ truyền răng nghiêng, trục răng đặt nghiêng ngược chiều với chiều nghiêng của thanh răng, nhờ vậy sự ăn khớp của bộ truyền lớn,do đó làm việc êm và phù hợp với việc bố trí vành lái trên xe
Cơ cấu lái kiểu bánh răng- thanh răng có các ưu điểm sau:
Cơ cấu lái đơn giản gọn nhẹ Do cơ cấu lái nhỏ và bản thân thanh răng tác dụng như thanh dẫn động lái nên không cần các đòn kéo ngang như các cơ cấu lái khác
Có độ nhạy cao vì ăn khớp giữa các răng là trực tiếp
Sức cản trượt, cản lăn nhỏ và truyền mô men rất tốt nên tay lái nhẹ
4.2.2.2 Cơ cấu lái trục vít con lăn
Loại cơ cấu lái này hiện nay được sử dụng rộng rãi nhất Trên phần lớn các ôtô Liên Xô loại có tải trọng bé và tải trọng trung bình đều đặt loại cơ cấu này
Cơ cấu lái gồm trục vít gơbôlôit 1 ăn khớp với con lăn 2 (có ba ren) đặt trên các ổ bi kim của trục 3 của đòn quay đứng Số lượng ren của loại cơ cấu lái trục vít con lăn có thể là một, hai hoặc ba tuỳ theo lực truyền qua cơ cấu lái Ưu điểm:
Nhờ trục vít có dạng glô-bô-it cho nên tuy chiều dài trục vít không lớn nhưng sự tiếp xúc các răng ăn khớp được lâu hơn và trên diện rộng hơn, nghĩa là giảm được áp suất riêng và tăng độ chống mài mòn
Tải trọng tác dụng lên chi tiết tiếp xúc được phân tán tùy theo cỡ ôtô mà làm con lăn có hai đến bốn vòng ren
Mất mát do ma sát ít hơn nhờ thay được ma sát trượt bằng ma sát lăn
Tính toán động học hệ thống lái
4.3.1 Tính động học dẫn động lái
Nhiệm vụ của tính toán động học dẫn động lái là xác định những thông số tối ưu của dẫn động lái 6 khâu để đảm bảo động học quay vòng của các bánh xe dẫn hướng một cách chính xác nhất và động học đúng của đòn quay đứng khi có sự biến dạng của bộ phận đàn hồi hệ thống treo và chọn các thông số cần thiết của hệ thống truyền dẫn động lái
Từ lý thuyết quay vòng ta thấy để nhận được sự lăn tinh của các bánh xe dẫn hướng khi quay vòng thì hệ thống lái phải đảm bảo mối quay hệ sau đây của của góc quay bánh xe dẫn hướng bên ngoài và bên trong so với tâm quay vòng Theo giáo trình thiết kế và tính toán ôtô máy kéo mối quan hệ đó được thể hiện ở công thức sau:
Trong đó: β : là góc quay của bánh xe dẫn hướng bên trong α : là góc quay của bánh xe dẫn hướng bên ngoài
B : là khoảng cách giữa hai đường tâm trụ đứng
L : là chiều dài cơ sở của ôtô
Từ biểu thức trên để bánh xe dẫn hướng lăn tinh mà không bị trượt lết trong quá trình quay vòng thì hiệu số cotg góc quay của bánh xe bên ngoài và bên trong phải luôn là một hằng số và bằng B/L
Hình thang lái phải đảm bảo động học quay vòng của các bánh xe dẫn hướng Nó bao gồm các khâu được nối với nhau bằng các khớp cầu và các đòn bên được bố trí nghiêng một góc so với dầm cầu trước.
4.3.1.1 Trường hợp xe đi thẳng
Hình 4 8 : Sơ đồ dẫn động lái trong trường hợp xe đi thẳng
Từ sơ đồ dẫn động lái ta có thể tính được mối quan hệ giữa các thông số theo biểu thức sau:
Thay vào biểu thức ta được:
Các đòn bên tạo với phương dọc một góc Khi ôtô quay vòng với các bán kính quay vòng khác nhau mà quan hệ giữa α và β vẫn được giữ nguyên như công thức trên thì hình thang lái Đan -Tô không thể thoả mãn hoàn toàn được
Tuy nhiên ta có thể chọn một kết cấu hình thang lái cho sai lệch với quan hệ lý thuyết trong giới hạn cho phép tức là độ sai lệch giữa góc quay vòng thực tế và lý thuyết cho phép lớn nhất ở những góc quay lớn, nhưng cũng không được vượt quá 1.5 o
4.3.1.2 Trường hợp khi xe quay vòng
Khi bánh xe bên trái quay đi một góc α và bên phải quay đi một góc β, lúc này đòn bên của bánh xe bên phải hợp với phường ngang một góc (θ-β) và ánh xe bên trái là (θ +α)
Hình 4 9 Sơ đồ dẫn động lái khi xe quay vòng
Từ sơ đồ dẫn động trên ta có mối quan hệ của các thông số theo quan hệ sau:
Từ quan hệ hình học trong tam giác ACD ta có:
Thay vào biểu thức trên ta có:
Từ mối quan hệ hình học trong tam giác ta có:
Ta rút ra được biểu thức liên hệ giữa β và α như sau:
4.3.2 Xây dựng đường cong đặc tính hình thang lái lý thuyết
Trên hệ trục toạ độ đề các α0β ta xác định được đường cong đặc tính lý thuyết qua quan hệ β = f(θ,α).
Theo công thức ta có:
Hay: Ứng với các giá trị của góc β từ 0 0 , 5 0 , , 40 0 ta lần lượt có các giá trị tương ứng của góc α Các giá trị này được lập trong bảng 1 dưới đây: β 0 0 5 0 10 0 15 0 20 0 25 0 30 0 35 0 40 0 α 0 0 4.75 0 9.08 0 13.03 0 16.69 0 20.1 0 23.32 0 26.38 0 29.33 0
4.3.3 Xây dựng đường cong đặc tính hình thang lái thực tế Để xây dựng đường cong đặc tính hình thang lái thực tế ta phải xây dựng được đường cong biểu thị hàm số α = f(θ,β) Theo mối quan hệ này thì nếu biết trước một góc θ nào đó ứng với một giá trị của góc β thì ta có một giá trị của góc α Mối quan hệ giữa các góc θ, β và α theo công thức được thể hiện như sau:
STT Tên gọi Kí hiệu Giá trị Đơn vị
1 Góc quay của trục bánh xe dẫn hướng bên ngoài β
2 Góc quay của trục bánh xe dẫn hướng bên trong α
3 Chiều dài cơ sở của xe L 2450 mm
4 Khoảng cách giữa hai trục đứng của cầu dẫn hướng
5 Góc tạo bởi đòn bên hình thang lái và phương ngang θ 78 0
6 Chiều dài đòn bên hình thang lái M 160 mm
7 Khoảng cách giữa đòn ngang với trục trước trong hình thang lái
8 Chiều dài đòn thanh nối bên hình thang lá p 250 mm
Dựa vào công thức ta xây dựng chương trình tính toán trên Matlab để xác định các đường đặc tính hình thang lái thực tế ứng với mỗi giá trị của góc θ = (45 0 , 46 0 , , 90 0 ) khi cho gia trị β= (1 0 , 2 0 , , 40 0 )
Ta thu được kết quả tính toan lệch giữa góc α thực tế và ∆α Xem ở phần phục lục ta thu được
Dựa vào các số liệu trong bảng phụ lục ta vẽ được đồ thị đặc tính động học hình thang lái lý thuyết và thực tế trên cùng một hệ trục toạ độ:
Tính toán động lực học hệ thống lái
4.4.1 Xác định mômen cản quay vòng
Gbx – Trọng lượng tác dụng lên một bánh xe dẫn hướng. a-cánh tay đòn của bánh xe dẫn hướng với xe thiết kế ta đo được (a = 0.03 ÷0.06 m) f – hệ số cản lăn ta xét trong trường hợp khi ôtô chạy trên đường nhựa và khô ta chọn (f=0.015)
4.4.1.2 Momen ma sát giữa bánh xe với mặt đường M2
Khi có lực ngang Y tác dụng lên bánh xe thì bề mặt tiếp xúc giữa lốp và đường sẽ bị lệch đi đối với trục bánh xe Nguyên nhân lệch này là do sự đàn hồi bên của lốp Điểm đặt của lực Y sẽ nằm cách hình chiếu của trục bánh xe một đoạn x về phía sau đoạn x được thừa nhận bằng nửa khoảng cách của tâm diện tích tiếp xúc đến rìa ngoài của nó theo công thức sau:
Trong đó: r – bán kính tự do của bánh xe
Với bánh xe có cỡ lốp là: 185/70R 14 88H. rbx – bán kính làm việc của bánh xe.
Do đó mômen cản do bánh xe trượt bên là:
4.4.1.3 Momen ổn định gây nên bởi góc đặt bánh xe M3
Mômen ổn định tạo nên bởi độ nghiêng ngang,nghiêng dọc của trụ đứng Giá trị của M3 thường tinh thong qua hệ số λ= 1.07 ÷1.15→ chọn λ= 1.1
4.4.1.4 Hiệu dẫn động của trụ đứng và hình thang lái
4.4.1.5 Momen cản quay vòng lớn nhất
4.4.2 Xác định lực cực đại tác dụng lên vành tay lái
Mc - mômen cản quay vòng Mc= 697.836 (N.m)
Ic - tỷ số truyền cơ cấu lái ic = 20.4 η th - hiệu suất thuận của cơ cấu lái, đối với cơ cấu lái thanh răng – trục răng hiệu suất thuận η th = 0.6 id – tỷ số truyền của truyền động lái.
Vậy thay vào công thức:
Thảo mãn điều kiện Pvlmax < 500 N
4.4.3 Xác định các thông số hình học của dẫn động lái và cơ cấu lái
Theo sơ đồ dẫn động lái, khi bánh xe dẫn hướng quay đi một góc β max = 40 0 thì thanh răng dịch chuyển một đoạn là X1
Theo công thức ta có
Thay các số liệu vào công thức ta được:
Do thanh răng quay về cả hai bên nên khoảng cách của thanh răng sẽ phải thoả mãn là: L = 0.170 (m) > 2* X1 = 2*0.0798 = 0.1596 (m)
Vậy khoảng cách phải làm việc của thanh răng đo trên chiều dài của trục nhỏ bằng nửa lần chiều dài ( L = 0.170 m ) Vậy thanh răng đủ dài để xe có thể quay vàng dễ dàng mà không bị chạm
4.4.3.2 Sơ đồ phân tích lực trong trường hợp hệ thống làm việc nặng nhất
Hệ thống sẽ chiu tải trọng lớn nhất trong trường hợp xe bị phanh Ta có sơ đồ phân tích lực như sau:
Tải trọng đặt lên cầu trước trong trạng thái tĩnh: G1 = 13100(N)
Hệ số phân bố lại tải trọng lên cầu trước khi phanh: m1p = 1.4
Hệ số bám giữa lốp và mặt đường: φ= 0.8
Thay vào biểu thức ta được:
Qua sơ đồ phân tích lực trên ta có:
Trong đó: c, p: là các kích thước trên hình vẽ
Hình 4 10 : Sơ đồ phân tích lực trên các khâu
4.4.3.3 Xác định bán kính quay vòng 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 X1 = 0.0798 (m) Chọn trước số vòng quay của vành lái rồi sau đó xác định bán kính vòng lăn của bánh răng đối với cơ cấu lái loại thanh răng – bánh răng thì số vòng quaycủa vành lái thì cũng là số vòng quay của bánh răng
Dựa vào xe tham khảo, chọn số vòng quay của vành lái ứng với bánh xe quay là n = 1.5 vòng.
R: Bán kính chia của bánh răng
4.4.3.4 Xác định các thông số của bánh răng
Theo tài liều chi tiết máy
Dc: Đường kính vòng chia: Dc = 2*R = 2*0.00863 = 0.01693 (m) mn : Môduyn pháp tuyến của bánh răng, chọn theo tiêu chuẩn mn = 0.00250 (m) β : Góc nghiêng ngang của bánh răng, chọn sơ bộ góc nghiêng β = 12 0
Từ công thức ta suy ra số răng của bánh răng :
Tính chính xác lại góc nghiêng, ta có :
Môduyn ngang của bánh răng :
Như vậy Zmin = 12 >6 do vậy có hiện tượng cắt chân răng nên phải dịch chỉnh, ta chọn kiểu dịch chỉnh đều Đường kính vòng đỉnh:
= 0.01693 +2*0.0025*(1+ 0.647) =0.025162 (m) Đường kính đỉnh chân răng:
Do bộ truyền là bánh răng ăn khớp với thanh răng nên đường kính vòng chia bằng đường kính vòng lăn Dc=Dw
Góc ăn khớp của bánh răng được chọn theo chi tiết máy α = 20 0 Đường kính cơ sở của bánh răng:
(m) Chiều dày của răng trên vòng chia:
Hệ số trùng khớp ngang :
4.4.3.5 Xác định kích thước và thông số của thanh răng Ứng suất nén dọc của thanh ngang liên kết được xác định theo công thức:
[δn]: Ứng suất tiếp xúc cho phép tại tiết diện nguy hiểm nhất
Qx2 – Lực nén lớn nhất lên thanh Qx2 = 2453.428 (N)
Do kích thước của thanh khá dài nên trong quá trình làm việc thanh có thể bị mất ổn định trước khi bị phá hủy Điều kiện thể thanh không bị mất ổn định là:
Qx2th - Lực tới hạn làm thanh mất ổn định
Theo sức bền vật liệu ta có:
E- Mô đun đàn hồi của vật liệu làm thanh răng E = 2.1 * 10 11 (N/m 2 )
Jmin- Momen quan tính tiết diện ngang của hình tròn có đường kính d μ- Hệ số phục thuộc vào liên kết của thanh răng Một cách gần đúng có thể coi μ = 0.5
X Chiều dài của thanh răng
Thay vào bất đẳng thức ta có:
(m) Trên thực thế mặt căt nguy hiểm nhất của thang răng không có dạng hình tròn mà có dang như hình d- Là đường kính của vòng tròn tiếp xúc với mặt phẳng lăn
Từ kết quả tính toan ở trên ta thu được
Chiều rộng trung bình của răng trên thanh răng:
(m) Theo phần trên hiều dài đoạn làm việc của thanh răng L = 0.170 (m)
Bươc răng t1 được tinh theo công thưc sau:
Số răng trên thanh răng:
Vậy ta chọn Z = 20 (răng) Chiều cao của thanh răng: h=(f’+ f’’)mn=(1+ 1.25)*0.0025=0.005625 (m)
4.4.4.1 Tính bền cơ cấu lái bánh răng – thanh răng Đối với loại truyền động truc răng – thanh răng phải đảm bảo cho các răng có độ bền cao
Xác định lực tác dụng lên bộ truyền trục răng – thanh răng
Lực vòng tác dụng lên bánh răng:
Pvbx = Pvlmax * ic = 316.738 * 20.4 = 6461.447 (N) Lực hướng tâm tác dụng lên trục răng theo công thức:
Lực dọc tac dụng lên trục răng:
Trong quá trình làm việc trục răng, thanh răng chịu ứng suất uốn tiếp xúc và chịu tải trọng va đập từ mặt đường Vì vậy thường gây ra hiện tương rạn nứt chân răng Do ảnh hưởng lớn tới sự tin cậy và tuổi thọ của cơ cấu lái Để đảm bảo được những yêu cầu lam việc của cơ cấu lái thì vật liệu chế tạo trục răng – thanh răng được dùng là thép cacbon các loại được thấm cacbon và tôi. Vật liệu Nhiệt luyện Độ cứng 𝜎 𝐻𝑙𝑖𝑚 0
Thép thấm cac bon cac loại
Thấm cacbon và tôi răngMặt Lõi
▪ Ứng suất tiếp xúc cho phép Ứng suất tiếp xúc cho phép của trục răng:
Trong đó: σHlim- Giới hạn bền mỏi tiếp xúc ứng với số chu kỳ cơ sở σHlim = 63 * HRC = 1449 10 6
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 trục răng; KXH = 1
KHL - Hệ số tuổi thọ KHL = 1.4
▪ Ứng suất uốn cho phép
𝜎 𝐹𝑙𝑖𝑚 0 - Giới hạn bền mỏi uốn của trục răng: 𝜎 𝐹𝑙𝑖𝑚 0 = 750 * 10 6 (N/m 2 )
KFL - Hệ số tuổi thọ KFL = 1.4
KFC - Với bộ truyền quay hai chiều ta chọn KFC = 0.75
YR - Hệ số kể đến ảnh hưởng của độ nhám bề mặt YR = 1
YXF - Hệ số kể đến ảnh hưởng của ảnh hưởng của kích thước trục răng
SF - Hệ số an toàn SF= 1.55
YS- Là hệ số xét tới ảnh hưởng của mô đun với m = 2.52 →YS = 1.03
▪ Kiêm nghiệm răng về độ bền tiếp xúc
Trong đó: Đối với trục răng bằng thép ZM = 274 MPa 1/2
ZH - Hệ số xét đến ảnh hưởng của hình dạng bề mặt tiếp xúc
ℇα - Là hệ số trùng khớp ngang được tính theo công thức ℇα =1.193 ic- Tỉ số truyền của cơ cấu lái ic 4
KHV– Hệ số tải trọng động
Trong đó: dω – Đường kính vòng chia của bánh răng dω = dc = 0.01693 m
Chiều rộng vành răng được xác định theo chiều rộng của bánh răng mỏng hơn Vì vậy trong trường hợp này chiều rộng vành răng được tính theo thanh răng bω = btrtbω = 0.025 (m)
Hệ số bề rộng vành răng: (m)
VH - Hệ số cường độ tải trọng động tính theo công thưc VH = 4
KHβ - Hệ số kể đến sự phân bố không đều cho các răng đồng thời ăn khớp Với Ψbd = 1.477 tra ta có được KHβ =1.31
T - Momen xoắn tác dung lên bánh răng
KHα - Hệ số phân bố tải trọng không đều giữa các răng đồng thơi ăn khớp
Thay các thông số vào công thức ta được:
(N/m 2 ) (N/m 2 ) Vậy cơ cấu thỏa mãn điều kiện bên tiếp xúc.
▪ Kiểm nghiệm răng về độ bền uốn Ứng suất uốn được tính theo công thức:
YFbr - Là hệ số dạng răng với hệ số dạng răng dịch chỉnh ξ = 0.647 và số răng tương đương
KFβ - Hệ số kể đến sự phân bố không đều cho các răng đồng thời ăn khớp
Với Ψbd = 1.217 tra theo bảng ta có được KFβ =1.4
VF - Cường độ tải trọng VF dω =0.01693 (m) bω =0.025 (m)
KFα- Hệ số phân bố tải trọng không đều giữa các răng đồng thơi ăn khớp
Thay vào biểu thức ta có: muonbr – Hệ số kể đến sự ăn mòn của răng
Thay có thông số vào công thức:
Vậy điều kiện được thoả mãn ⇒ Bộ truyền trục răng - thanh răng đảm bảo đủ bền trong quá trình làm việc.
4.4.4.2 Kiểm nghiệm đòn kéo bên Ứng suất uốn của thanh
Ft: Là tiết diện của thanh:
(m 2 ) (N/m 2 ) Thanh nối được làm băng vật liệu thép 20X có [σn] 0 * 10 6 (N/m 2 )
Vậy đòn nối bên của dẫn động lái đủ bền trong quá trình là việc Vậy đòn kéo ngang đảm bảo độ bền và độ ổn định.
4.4.4.3 Kiểm nghiệm bền đòn kéo dọc Để đảm bảo an toàn và tính ổn định trong quá trình làm việc, đòn bên được làm bằng thép 20X Đòn bên của dẫn động lái chủ yếu chịu ứng suất uốn
Do vậy ta tính bên theo điều kiện uốn:
Ta kiểm tra ứng suất uốn tại vị trí nguy hiểm nhất tại chỗ giao nhau giữa hai tiết diện, tại điểm A.
Theo tài liệu chuyên ngành, lấy hệ số an toàn n = 1.5 và với thép 20X thì ta có:
Vậy thoả mãn điệu kiện bền uốn.
4.4.4.4 Kiểm nghiệm bền thanh kéo ngang Ứng suất nén dọc của thanh ngang liên kết được xác định theo công thức
Ft: Là tiết diện của thanh:
(m 2 ) Đòn kéo ngang được chế tạo bằng thép ống CT20 có đường kính trong và ngoài lần lượt là: D = 0.020 mm; d = 0.010mm
[σb] = 350 (KG/cm 2 ) = 35*10 6 (N/m 2 ) Với hệ số dự trữ bền ổn định n = 2 ta có:
(N/m 2 ) Vậy điều kiện bền thỏa mãn
4.4.4.5 Kiểm nghiệm bền khớp cầu (Rô- tuyn)
Khớp cầu được bố trí trên đòn kéo dọc, đòn ngang hệ thống lái Chúng là khâu quan trọng của dẫn động lái Các khớp cầu được phân loại theo cách thức bù đắp khe hở của các bề mặt làm việc khi chúng bị mòn Hiện nay trên ôtô thường sử dụng hai loại khớp cầu:
• Khớp cầu có loxo nén đặt hướng kính.
• Khớp cầu có loxo nén đặt hướng trục
Vật liệu chế tạo khớp cầu là thép 20XH có cơ tính: (N/m 2 )
(N/m 2 ) Với điều kiện là khớp làm việc ở chế độ tải trọng động và chịu va đập Khớp cầu được kiểm nghiệm độ bền theo ứng suất chèn dập tại vị trí làm việc và kiểm tra độ bền cắt tại vị trí có tiết diện nguy hiểm Lực tác dụng lên khớp cầu
▪ Kiểm tra điều kiện chèn dập
Tính ứng suất chèn dập tại bề mặt làm việc của khớp cầu
F – là diện tích tiếp xúc giữa mặt cầu và đệm rôtuyn Trong thực tế diện tích làm việc chiếm 2/3 diện tích bề mặt tiếp xúc của khớp cầu Nên mặt chịu lực tiếp xúc chiếm 1/2 * 2/3 = 1/3 bề mặt cầu
D – là đường kính khớp cầu: D = 0.020 (m)
Như vậy khớp cầu thoả mãn điều kiện chèn dập tại bề mặt làm việc của khớp cầu ở thanh kéo dọc
▪ Kiểm tra khớp cầu theo điều kiện cắt
Kiểm tra độ bền cắt khớp cầu tại tiết diện nguy hiểm nhất Ứng suất cắt được tính theo công thức
Fc – là tiết diện của rotuyn tại vị trí có tiết diện nguy hiểm nhất (tại chỗ thắt nhỏ của rotuyl)
(m 2 ) d - là đường kính tại chỗ thắt của rôtuyl d = 0.012 (m)
Vậy khớp cầu thoả mãn điều kiện bền cắt
Tính toán cường hóa lái
4.5.1 Chọn những thông số làm việc của hệ thống lái
Trong việc tính toán hệ thống lái để quay vòng ôtô khi chuyển động được xác định bằng công như sau:
Trong đó: φt: Là góc quay trục lái ( độ) từ vị trí trung gian tới mép ngoài cùng, ở đây có
Bán kính vành lái Rv =0.180
Lực trung bình đặt vào vành lái Chọn Pvltb = 50 (N)
Thay các số liệu vào công thức:
(Nm) Mặt khác đối với xe du lịch công trung bình giới hạn [Atb]= 100 (Nm) Như vậy: Atb 823 < [Atb]= 100 → Do đó thoả mãn
Lực cực đại đặt lên vành lái khi có cường hóa ta chọn Pvlomax
(Theo tài liệu tham khảo chuyên ngành)
Từ đó ta tính được phần trăm trợ lực là:
Lực đặt lên vành tay lái để gài trợ lực: Đối với ôtô du lịch hiện nay giá trị này thường nằm khoảng (20N÷ 40N) Đối với xe thiết kế ta chọn là: Pvlomin = 30N Từ đó ta tính được mômen cần thiết để mở cường hoá là(Tại vành tay lái):
MZ: Mômen cản khi trục lái dịch chuyển, giá trị này nhỏ MZ = 0
MQ: Mômen cần thiết để xoắn thanh xoắn tới vị trí bắt đầu trợ lực η0: Là hiệu suất từ vành tay lái tới van xoắn (Hiệu suất truyền lực).
Chọn η0 = 1 i0: Là tỷ số truyền từ vành lái tới van Chọn i0= 1
Vậy mômen cần thiết để bắt đầu mở trợ lực là: MQ = M0 = 5.4 (Nm) Ở thời điểm bắt đầu cường hoá thì mômen cản do mặt đường truyền lên
Mômen cản mà cường hoá phải khắc phục là:
Chỉ số hiệu quả tác dụng của cường hoá(H):
Là tỷ số giữa lực đặt vào vành tay lái khi không có trợ lực và khi có trợ lực
Chỉ số H thường cho H < 4 Do đó H = 3.519 là hợp lý, phù hợp với chủng loại xe thiết kế Để đảm bảo được các yếu cầu của cường hoá và phải đảm bảo tuổi thọ của lốp.
4.5.2 Xây dựng đặc tính cường hoá lái
Theo giáo trình Thết kế tính toán ôtô thì đặc tính của cường hoá chỉ rõ sự đặc trưng của quá trình làm việc của bộ cường hoá hệ thống lái Nó biểu thị mối quan hệ giữa lực mà người lái đặt lên vành tay lái Pl và mômen cản quay vòng của các bánh dẫn hướng Mc:
Qua đây ta thấy khi không có cường hoá thì lực đặt lên vành tay lái chỉ phụ thuộc vào mômen cản quay vòng của các bánh xe dẫn hướng (vì R, iω, id, ηth là những hằng số) Do đó đường đặc tính là những đường bậc nhất đi qua gốc toạ độ Theo tính toán ở phần trước khi quay vòng ôtô tại chỗ mômen cản quay vòng là lớn nhất, toạ độ xác định điểm này trên đường đặc tính là B
[697.836 ; 316.738] Vậy đường đặc tính được xác định P1 = f(Mc) sẽ đi qua gốc toạ độ và đi qua điểm B [697.836 ; 316.738]
Khi hệ thống lái được lắp cường hoá đường đặc tính của của nó cũng biểu thị mối quan hệ giữa lực tác dụng lên vành tay lái và mômen cản quay vòng của các bánh xe dẫn hướng Mc Đây cũng là mối quan hệ bậc nhất
Khi con trượt của van phân phối ở vị trí trung gian thì lực cường hoá quy dẫn lên vành tay lái Pc= 0 nên mômen cản quay vòng Mc = 0
Do bộ cường hoá được thiết kế ở van phân phối có lò xo định tâm Khi những va đập ở mặt đường truyền ngược lên vành tay lái nếu nằm trong giới hạn lực nén sơ bộ ban đầu của lò xo thì lực đó được truyền lên vành tay lái
Nếu như lực ngược đó mà vượt quá giới hạn đó thì lò xo sẽ được nén tiếp dẫn đến con trượt van phân phối bị lệch về một phía và bộ cường hoá bắt đầu làm việc Cụ thể, để bộ cường hoá làm việc thì lực đặt lên vành tay lái phải lớn hơn 30 (N) Ở giai đoạn này đặc tính biểu thị sẽ trùng với đặc tính khi chưa có bộ cường hoá
Tại điểm A [66.096; 30] thì bộ cường hoá bắt đầu làm việc
Khi lực đặt lên vành tay lái lớn hơn 30 (N) đường đặc tính đặc trưng cho hoạt động của cường hoá ở giai đoạn này cũng là đường bậc nhất nhưng có độ dốc thấp hơn so với đường đặc tính khi chưa có cường hoá (độ dốc này cần thiết phải có để đảm bảo cho người lái có cảm giác sức cản của mặt đường tác dụng lên vành tay lái) Khi mômen cản quay vòng lớn hơn Mc = 487.6 (Nm) thì hệ thống lái làm việc như hệ thống lái cơ khí ban đầu (cường hoá đã làm việc hết khả năng) Cụ thể là người lái muốn quay vòng ôtô thì phải tác dụng lên vành tay lái một lực Pl> Pc. Đồ thị các đường đặc tính khi chưa cường hoá Pl= f(Mc) và được lắp bộ cường hoá Pc = f(Mc) được thể hiện ở hình dưới đây.
Ta thấy rằng: Đặc tính khi chưa có cường hoá là đường bậc nhất, đoạn OB Đặc tính khi có cường hoá là đường bậc nhất gãy khúc và thấp hơn đường đặc tính khi chưa có cường hoá Đoạn OA: Pl= P = f(Mc) Lực do người lái hoàn toàn đảm nhận Đoạn AC: Pc= f(Mc) Biểu thị lực mà người lái cảm nhận về chất lượng mặt đường Điểm C [697.836; 90], chọn Pc = 90 (KG)
Từ C trở đi: Pc= f(Mc) song song với đường Pl = f(Mc)
Hiệu số các toạ độ của hai đường Pcvà Pl chính là lực tạo nên bởi bộ cường hoá Lực này phải phụ thuộc vào áp suất môi trường làm việc và đường kính của xilanh
Nếu chọn Pc lớn thì quay riêng các bánh xe dẫn hướng tại chỗ sẽ nặng hơn, còn nếu chon Pc quá nhỏ thì người lái sẽ không đủ cảm giác về chất lượng mặt đường.