Tính toán thiết kế hệ thống lái dựa trên thông số xe tham khảo hyundai accent 2021 1 4 at

Tuy nhiên, một đề tài thiết kế là khá rộng, nó đề cập đến nhiều vấn đề cần đòi hỏi phải có kiến thức chuyên sâu, thời gian để nghiên cứu và thực nghiệm. Mặc dù đã rất cố gắng, nhưng với khả năng, hàm lượng kiến thức hạn hẹp của bản thân, cũng như thời gian hạn chế nên bài luận văn của em còn nhiều khiếm khuyết và chưa hoàn thiện. Em mong các thầy và các bạn góp ý để bài luận văn này được hoàn thiện hơn. Em xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến giảng viên hướng dẫn đã tận tình giúp đỡ, chỉ bảo em trong suốt quá trình em làm đề tài, để có thể hoàn thành được bài luận văn này. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Viện Cơ Khí – Kỹ Thuật Ô Tô trường Đại Học Giao Thông Vận Tải TPHCM cùng các bạn học đã tạo điều kiện và giúp đỡ em trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn.

VIỆN CƠ KHÍ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

TÊN ĐỀ TÀI: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG

LÁI DỰA TRÊN THÔNG SỐ XE THAM KHẢO HYUNDAI ACCENT 2021 1.4 AT

Ngành: CƠ KHÍ Ô TÔ

Chuyên Ngành: KĨ THUẬT Ô TÔ

Giảng viên hướng dẫn: ThS Thái Văn Nông Sinh viên thực hiện: Nguyễn Trọng Tâm

TP Hồ Chí Minh, năm 2023

Hiện tại, đất nước chúng ta đang trên đà phát triển lớn mạnh về kinh tế đó bằng quá trình công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước và sự hội nhập của các ngành công nghiệp, kỹ thuật ô tô ở nước ta ngày càng được chú trọng và phát triển Song, một vấn đề được đặt ra đi kèm với sự phát triển đó chính là sự an toàn, độ tin cậy mà phương tiện giao thông mang lại cho người sử dụng và mọi người xung quanh, đặc biệt là với ô tô Một trong những hệ thống ảnh hưởng bậc nhất đến sự an toàn của xe đó chính là hệ thống lái Hệ thống lái đảm nhiệm chức năng điều hướng chuyển động của ô tô, ngoài ra hệ thống lái phải được đảm bảo về tính năng ổn định khi chuyển động cũng như khi quay vòng của bánh xe dẫn hướng

Để đáp ứng nhu cầu tìm hiểu để tăng kiến thức, sự hiểu biết cho bản thân đồng thời vận dụng sự hiểu biết của bản thân về các ứng dụng khoa học kỹ thuật hiện đại để nghiên cứu hệ thống lái Em chọn đề tài “Thiết kế hệ thống lái dựa trên thông số xe tham khảo Hyundai Accent 2021 1.4 AT” làm đề tài luận văn tốt nghiệp cho mình

Tuy nhiên, một đề tài thiết kế là khá rộng, nó đề cập đến nhiều vấn đề cần đòi hỏi phải có kiến thức chuyên sâu, thời gian để nghiên cứu và thực nghiệm Mặc dù đã rất cố gắng, nhưng với khả năng, hàm lượng kiến thức hạn hẹp của bản thân, cũng như thời gian hạn chế nên bài luận văn của em còn nhiều khiếm khuyết và chưa hoàn thiện Em mong các thầy và các bạn góp ý để bài luận văn này được hoàn thiện hơn

Em xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến giảng viên hướng dẫn ThS Thái Văn Nông

đã tận tình giúp đỡ, chỉ bảo em trong suốt quá trình em làm đề tài, để có thể hoàn thành được bài luận văn này Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Viện Cơ Khí – Kỹ Thuật Ô Tô trường Đại Học Giao Thông Vận Tải TPHCM cùng các bạn học đã tạo điều kiện và giúp đỡ em trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn

Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2023

Sinh viên thực hiện

ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Bố cục bài luận văn bao gồm 3 chương như sau:

Chương 1: Đây là chương đầu tiên, giới thiệu tổng quan về hệ thống lái Phân

tích công dụng, phân loại, yêu cầu của hệ thống lái Xây dựng cơ sở lý thuyết dẫn hướng, phân tích các góc đặt bánh xe dẫn hướng, các góc đạt trụ đứng Sau đó lựa chọn phương án thiết kế hệ thống lái bao gồm các phương án thiết kế cơ cấu lái, dẫn động lái, trợ lực lái và phương án bố trí trợ lực lái Cuối chương là bảng thông số kĩ thuật xe tham khảo Hyundai Accent 2021

Chương 2: Tính toán thiết kế các hệ thống của hệ thống lái dựa trên các phương

án thiết kế và thông số xe tham khảo đã được xác định ở chương 1 Đầu chương là sơ đồ động học của hệ thống lái bao bao gồm vô lăng lái, trục lái, cơ cấu lái bánh răng – thanh răng và trợ lực lái điện EPS Tiếp theo là kiểm tra động học dẫn động lái bằng cách xây dựng đường đặc tính hình thang lái thực tế và đường cong đặc tính hình thang lái lý thuyết Sau đó, lựa chọn tỉ số truyền cho từng hệ thống của hệ thống lái Xác định momen cản quay vòng Mc cũng như lực cực đại tác dụng lên vô lăng Phần tiếp theo sẽ tính toán trục lái và thanh xoắn bằng các thông số chọn trước Cuối chương là tính toán thiết kế và kiểm bền bộ truyền cơ cấu lái theo tài liệu thiết kế bộ truyền bánh răng côn

Chương 3: Chương cuối cùng tính toán thiết kế và kiểm bền hệ thống trợ lực lái

điện theo tài liệu tính toán thiết kế trục vít bánh vít Phần đầu tiên là tổng quan về hệ thống trợ lực điện EPS, bao gồm phân tích kết cấu và các trạng thái làm việc của hệ thống trợ lực này Sau đó xây đựng đặc tính trợ lực lái điện và tính chọn motor điện 1 chiều dùng cho hệ thống trợ lực này Phần tiếp theo sẽ tính toán thiết kế cơ cấu trục vít – bánh vít dựa trên thông số cho trước Cuối cùng là kiểm nghiệm các thông số cũng như độ bền của trục vít – bánh vít được dùng cho hệ thống trợ lực lái điện EPS.

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LÁI VÀ THÔNG SỐ

KĨ THUẬT XE HYUNDAI ACCENT 1

1.1 Công dụng, phân loại, yêu cầu 1

1.1.1 Tổng quan 1

1.1.2 Phân loại 1

1.1.3 Yêu cầu 2

1.2 Cơ sở lý thuyết dẫn hướng của ô tô 3

1.2.1 Cơ sở lý thuyết dẫn hướng của ô tô 3

1.2.2 Tính dẫn hướng của ô tô khi quay vòng 4

1.2.3 Tính dẫn hướng của ô tô khi xe chuyển động thẳng 6

1.2.4 Các góc đặt bánh xe dẫn hướng 7

1.2.4.1 Góc nghiêng ngang của bánh xe (Camber – α) 7

1.2.4.2 Góc/độ chụm của bánh xe (Toe in – Toe out δ) 8

1.2.4.3 Góc nghiêng ngang của trục đứng (Kingpin β) và góc nghiêng dọc của trụ đứng (Caster γ) 8

1.3 Chọn phương án thiết kế hệ thống lái 10

1.3.1: Chọn phương án thiết kế cơ cấu lái: 10

1.3.1.1 Phương án 1 - Cơ cấu lái trục vít con lăn 11

1.3.1.2 Phương án 2 – Cơ cấu lái kiểu trục vít ecu bi- thanh răng - cung răng 12

1.3.1.3 Phương án 3 – Cơ cấu lái kiểu bánh răng – thanh răng 14

1.3.2 Chọn phương án thiết kế dẫn động lái 15

1.3.2.1 Dẫn động lái bốn khâu 16

1.3.2.2 Dẫn động lái sáu khâu 16

1.3.3 Lựa chọn phương án thiết kế trợ lực lái 17

iv

1.3.3.1 Hệ thống trợ lực bằng thủy lực 17

1.3.3.2 Hệ thống trợ lực lái điều khiển bằng điện 19

1.3.3.3 Lựa chọn phương án thiết kế trợ lực lái 22

1.3.4 Lựa chọn phương án bố trí trợ lực lái 22

1.3.4.1 Phương án 1 – Motor trợ lực vào cơ cấu lái 22

1.3.4.2 Phương án 2 - Motor trợ lực vào thanh răng 23

1.3.4.3 Phương án 3 - Motor trợ lực cho trục lái 24

1.3.4.4 Phương án 4 - Hệ thống trợ lực thủy lực – điện 25

1.4 Bảng thông số kĩ thuật xe Huyndai Accent 2021 1.4 AT 26

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG LÁI 27

2.1 Sơ đồ động học hệ thống lái 27

2.1.1 Sơ đồ cấu tạo của hệ thống lái 27

2.1.2 Vô lăng lái 27

2.1.3 Trục lái 28

2.1.4 Cơ cấu lái thanh răng – bánh răng 29

2.1.5 Trợ lực lái điện EPS 30

2.2 Kiểm tra động học của dẫn động lái 31

2.2.1 Xây dựng đường cong lý thuyết 31

2.2.2 Xây dựng đường cong thực tế 32

2.2.2.1 Trường hợp xe đi thẳng 32

2.2.2.2 Trường hợp khi xe quay vòng 33

2.2.3 Đường đặc tính hình thang lái lý thuyết và thực tế 36

2.3 Tính toán và chọn các tỉ số truyền của hệ thống lái 37

2.3.1: Tỉ số truyền góc 37

2.3.2: Tỉ số truyền cơ cấu lái 37

2.3.3 Tỉ số truyền hình thang lái 38

2.3.4: Tỉ số truyền các đòn dẫn động 38

2.4.5 Tỉ số truyền lực của hệ thống lái 38

2.4 Xác định momen cản quay vòng Mc và lực cực đại tác dụng lên vô lăng 39

2.4.1 Xác định momen cản chuyển động 39

2.4.2 Xác định momen cản do các bánh xe trượt lê trên đường 40

2.4.3 Xác định momen cản quay vòng 41

2.4.4 Xác định lực cực đại tác dụng lên vô lăng: 42

2.4.5 Xác định góc quay vòng lớn nhất của vô lăng: 42

2.5 Tính toán trục lái và thanh xoắn 43

2.5.1 Tính toán và kiểm bền trục lái 43

2.5.2 Tính toán thanh xoắn 44

2.6 Tính toán bộ truyền cơ cấu lái 44

2.6.1 Kiểm tra vật liệu 44

2.6.2 Xác định ứng suất cho phép 45

2.6.2.1 Ứng suất tiếp xúc cho phép 45

2.6.2.2 Ứng suất uốn cho phép 46

2.6.3 Xác định đường kính vòng chia ngoài của bánh răng 46

2.6.4 Xác định thông số của bánh răng 47

2.6.5 Xác định khoảng dịch chuyển làm việc thanh răng 49

2.6.6 Xác định kích thước và thông số của thanh răng 50

2.6.7 Tính bền cơ cấu lái thanh răng – bánh răng 52

2.6.7.1 Kiểm nghiệm răng về độ bền tiếp xúc 52

2.6.7.2 Kiểm nghiệm răng về độ bền uốn 53

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRỢ LỰC LÁI ĐIỆN 55

3.1 Tổng quan về hệ thống trợ lực lái điện EPS 55

3.1.1 Đặc điểm kết cấu 55

vi

3.1.2 Các trạng thái làm việc 56

3.2 Xây đựng đặc tính trợ lực lái và tính chọn motor điện một chiều 56

3.2.1 Xây dựng đặc tính trợ lực lái điện 57

3.2.2 Tính chọn motor điện trợ lực 57

3.2.3 Tính toán điều khiển motor điện 59

3.3 Tính toán thiết kế cơ cấu trục vít - bánh vít của trợ lực lái điện 60

3.3.1 Vận tốc trượt được tính sơ bộ 61

3.3.2 Vật liệu chế tạo trục vít bánh vít 61

3.3.3 Tính ứng suất cho phép 61

3.3.3.1 Ứng suất tiếp xúc cho phép 61

3.3.3.2 Ứng suất uốn cho phép 62

3.3.4 Chọn số răng z1 của trục vít, z2 của bánh vít và hệ số đường kính q 62

3.3.5 Xác định sơ bộ khoảng cách trục aw, modun tiêu chuẩn m và hệ số dịch

3.5 Kiểm nghiệm độ bền tiếp xúc và độ bền uốn của trục vít – bánh vít 66

3.5.1 Kiểm nghiệm độ bền tiếp xúc của trục vít bánh vít 66

3.5.2 Kiểm nghiệm độ bền uốn của trục vít bánh vít 66

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LÁI VÀ THÔNG SỐ KĨ THUẬT XE HYUNDAI ACCENT

1.1 Công dụng, phân loại, yêu cầu

1.1.1 Tổng quan

Hệ thống lái của ôtô dùng để thay đổi hướng chuyển động của ôtô nhờ chuyển đổi sự quay vòng của vô lăng lái sang quay vòng các bánh xe dẫn hướng cũng như để giữ nguyên phương chuyển động thẳng hay chuyển động cong của ô tô khi cần thiết

Việc điều khiển hướng chuyển động của xe được thực hiện như sau: người lái tác động lực lên vô lăng lái làm cho vô lăng lái quay vòng sang trái hoặc sang phải và sau đó truyền momen xoắn đến cơ cấu lái thông qua trục lái, từ đó cơ cấu lái tăng momen truyền từ vô lăng lái tới các thanh dẫn động lái, các thanh dẫn động lái truyền chuyển động từ cơ cấu lái đến các bánh xe dẫn hướng, làm cách bánh xe dẫn hướng cùng quay về một phía theo hướng quay của người lái tác động lên vô lăng lái Kết cấu lái phụ thuộc vào cơ cấu chung của xe và từng chủng loại xe

Để quay vòng được thì người lái cần phải tác dụng vào vô lăng và truyền xuống dẫn động lái một lực Đồng thời cũng cần phải có một phản lực sinh ra từ mặt đường lên mặt vuông góc với bánh xe lên ngược lại vô lăng lái Từ đó, mang lại cảm giác lái cho người lái khi quay vô lăng lái Để quay vòng đúng thì đường tâm nối các bánh xe dẫn hướng phải giao nhau tại một điểm, điểm này được gọi là tâm quay tức thời

Trong quá trình chuyển động trên đường, hệ thống lái là hệ thống có ảnh hưởng bậc nhất đến an toàn chuyển động của xe đặc biệt là khi ô tô ở dải tốc độ cao, do đó việc thiết kế hệ thống lái không ngừng phát triển, cải thiện để được hoàn thiện cũng như đảm bảo về sự tin cậy, tính an toàn của hệ thống này trên xe ô tô

1.1.2 Phân loại

Theo cách bố trí vô lăng lái: bố trí vô lăng lái bên trái, bố trí vô lăng lái bên phải Tuỳ thuộc vào luật đi bên phải hoặc bên trái của từng quốc gia

Theo kết cấu cơ cấu lái: Loại cơ cấu lái trục vít – con lăn; loại cơ cấu lái bánh răng – thanh răng; loại cơ cấu lái trục vít – ecu bi – thanh răng – cung răng

2

Theo số lượng bánh xe dẫn hướng: các bánh xe dẫn hướng chỉ ở cầu trước, ở cả hai cầu hoặc tất cả các cầu

Theo nguyên lý làm việc của trợ lực lái: loại trợ lực lái điện; loại trợ lực lái khí (khí nén hoặc chân không); hoặc loại trợ lực lái thủy lực

1.1.3 Yêu cầu

An toàn chuyển động trong giao thông vận tải bằng ô tô là chỉ tiêu hàng đầu trong việc đánh giá chất lượng thiết kế và sử dụng phương tiện này Một trong các hệ thống quyết định đến tính an toàn bậc nhất và ổn định chuyển động của ôtô là hệ thống lái Hệ thống lái của ô tô đảm bảo các bánh xe dẫn hướng di chuyển đáp ứng động học quay vòng đúng của ô tô một cách ổn định Tốc độ ô tô ngày càng được năng cao thì hệ thống lái ô tô càng đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo tính an toàn của xe Để đảm bảo tính êm dịu chuyển động trên mọi loại đường từ dải tốc độ thấp tới dải tốc độ cao, một hệ thống lái ô tô cần đáp ứng các yêu cầu sau:

- Hệ thống lái phải đảm bảo dễ dàng điều khiển, nhanh chóng và an toàn Các cơ cấu điều khiển bánh xe dẫn hướng và quan hệ hình học của hệ thống lái phải đảm bảo không gây lên các dao động và va đập trong hệ thống lái

- Đảm bảo độ ổn định của bánh xe dẫn hướng khi chạy thẳng và không bị trượt ngang khi quay vòng (không bị rung, dao động bánh xe dẫn hướng)

- Có khả năng ổn định bánh xe dẫn hướng khi quay vòng Đảm bảo quay vòng đúng (về bên trái hoặc bên phải) ở tất cả bán kính quay vòng của ô tô với giá trị càng nhỏ càng tốt Đảm bảo khả năng quay vòng hẹp dễ dàng: Khi xe quay vòng trên đường hẹp, đường gấp khúc, hệ thống lái có thể quay ngặt các bánh xe trước một cách dễ dàng Quay vòng ngặt là trạng thái quay vòng với thời gian quay vòng ngắn và bán kính quay vòng nhỏ.

- Hiệu suất lái cao Tổn thất ma sát ít - Đảm bảo tính tùy động

- Đảm bảo khả năng an toàn bị động của xe, không gây tổn thương lớn cho người lái Đảm bảo hiệu suất thuận phải lớn hơn hiệu suất nghịch để giảm tác động từ mặt đường qua kết cấu lái lên vô lăng nhưng phải tạo ra cảm giác lái (có tính thuận nghịch lái)

- Có các cơ cấu trợ lực lái (thủy lực, khí nén, điện) hoặc các cơ cấu hỗ trợ lái phù hợp theo để tạo sự thoải mái cho lái xe khi cầm vô lăng và an toàn cho xe trong quá trình hoạt động Ngoài ra, cơ cấu trợ lực lái phải đảm bảo trợ lực lái thích hợp: lực người lái đặt lên vành lái khi quay vòng phải nhỏ, lực lái cần thiết sẽ lớn khi xe đứng yên và sẽ giảm khi tốc độ xe tăng

1.2 Cơ sở lý thuyết dẫn hướng của ô tô

1.2.1 Cơ sở lý thuyết dẫn hướng của ô tô

Hình 1.1: Sơ đồ quay vòng của ô tô 4x2

Để xe quay vòng không bị trượt ngang thì tất cả các bánh xe của ô tô khi quay vòng phải quay theo một tâm quay thức thời O, đối với xe 4 bánh 2 trục, tâm quay tức thời nằm ở giao điểm của đường kéo dài trục sau với đường kéo dài của trục bánh xe dẫn hướng Như vậy các bánh xe dẫn hướng sẽ phải có các góc quay vòng khác nhau như hình 1.1 Từ đó, ta cần có điều kiện quay vòng của ô tô phải thỏa theo công thức:

Trong đó: L là khoảng cách trục của ô tô, b là khoảng cách giữa 2 trụ dẫn hướng của cam quay bánh xe dẫn hướng 2 bên

4

Đây là quan hệ biểu thị động học quay vòng đúng của ô tô, với kết cấu hình thang lái thông thường Nhưng chỉ đúng hoàn toàn cho các góc quay vòng từ 15o trở lại, còn các góc quay vòng lớn hơn, điều kiện quay vòng đúng của công thức trên sẽ có sai số và thực tế sẽ có những sự trượt ngang nhỏ, nhưng do bánh xe có độ đàn hồi ngang và khi quay vòng ở bán kính nhỏ tốc độ quay vòng thấp nên sự trượt ngang này sẽ nhỏ và sẽ được khắc phục bởi độ đàn hồi ngang của các bánh xe dẫn hướng

Khi xe quay vòng, vệt di chuyển của xe là vùng nằm trong giới hạn bán kính quay vòng phía ngoài và phía trong của ô tô, phụ thuộc vào góc quay vòng, vận tốc tay lái và vận tốc quay vòng của ô tô 1.2.2 Tính dẫn hướng của ô tô khi quay vòng

Hình 1.2: Sơ đồ quay vòng của ô tô 4x2 có tính đến góc lệnh ngang

Hình 1.2 mô tả sơ đồ quay vòng ô tô 4x2 trên đường bằng và không có gió ngang, chỉ có lực ly tầm Piy đặt tại tọa độ trọng tâm, các bánh xe trước và sau có các góc lệch

ngang δ1 và δ2 khác nhau Hướng và tốc độ chuyển động của xe V1 ở cầu trước với góc quay vòng α khi có tính đến góc lệnh ngang sẽ là (α - δ1), còn vector vận tốc ở cầu sau tại điểm B là V2 cùng với góc lệch δ2 Như vậy, tâm quay vòng tức thời sẽ dịch chuyển từ điểm O đến điểm Oδ Oδ chính là điểm nằm tại giao điểm của các đường vuông góc với vector vận tốc V1 từ điểm A và V2 từ điểm B Khi đó, bán kính quay vòng hiệu dụng Rδ sẽ được tính theo công thức:

- Nếu δ1 < δ2: bán kính quay vòng Rδ < R, trường hợp này gọi là quay vòng thừa, để giữ nguyên quỹ đạo quay vòng, lái xe phải quay vô lăng một góc nhỏ hơn bình thường, và sự giảm tay lái này sẽ tăng lên nếu xe ở tốc độ cao khi quay vòng Có nghĩa là nếu giữ nguyên góc tay lái của vô lăng, bán kính quay vòng hiệu dụng Rδ sẽ càng giảm nếu tốc độ quay vòng tăng, từ đó làm tăng các phản ứng lực ngang Y1 và Y2 Do vậy, lái xe phải chú ý để không bị trượt ngang hay lật xe trong trường hợp này Xét về tính an toàn khi xe chuyển động, thì quay vòng thừa là một hiện tượng nguy hiểm làm mất tính ổn định của xe khi quay vòng

- Nếu δ1 > δ2: bán kính quay vòng hiệu dụng Rδ > R, trường hợp này gọi là quay vòng thiếu, để giữ nguyên quỹ đạo quay vòng, lái xe phải quay vô lăng một góc lớn hơn bình thường và khi xe ở tốc độ cao khi quay vòng thì góc quay vô lăng lái phải được tăng lên Hiện tượng quay vòng thiếu này có ưu điểm hơn quay vòng thừa vì tính dẫn hướng và ổn định của ô tô khi quay vòng sẽ được cải thiện, lái xe có thể kiểm soát quá trình quay vòng bằng cách quay thêm vô lăng để điều chỉnh Trong trường hợp có lực gió ngang, chiếc xe sẽ có khả năng ổn định lại chuyển động thẳng của ô tô Đối với xe du lịch, người ta thiết kế bố trí trọng tâm lùi về phía sau cũng tạo ra điều kiện giảm góc lệch phía sau

- Nếu δ1 = δ2: bán kính quay vòng hiệu dụng Rδ = R, trường hợp này gọi là quay vòng đủ (quay vòng trung tính)

6

Trong quá trình khai thác và vận hành ô tô, chiếc xe có thể trải qua 3 trạng thái: quay vòng thừa, quay vòng thiếu, quay vòng trung tính nếu chiếc xe có tình trạng chất tải không hợp lý, áp suất lốp xe phía trước hoặc phía sau không đúng hoặc khi vận tốc ô tô vượt quá tốc độ cho phép

Sự chuyển động và thay đổi hướng chuyển động của xe trên đường là quá phức tạp Khi xe chuyển động trên đường vòng với tốc độ thâp thì ứng với mỗi vị trí góc quay của vành lái nhất định xe sẽ quay vòng với một bán kính quay vòng tương ứng Đây có thể coi là trạng thái quay vòng tĩnh (quay vòng đủ)

Trong thực tế xe thường chuyển động ở tốc độ lớn, do vậy quá trình quay vòng là động, trạng thái quay vòng đủ sẽ ít xảy ra mà thường gặp trạng thái quay vòng thiếu và thừa trên cơ sở của việc thay đổi tốc độ chuyển động, sự đàn hồi của lốp và hệ thống treo

Khi quay vòng thiếu, để thực hiện quay vòng theo bán kính quay vòng tương ứng với quay vòng đủ thì người lái phải tăng góc quay vô lăng lái, ngược lại khi quay vòng thừa thì cần phải giảm góc quay vô lăng lái

Quay vòng thừa và quay vòng thiếu là những trạng thái quay vòng nguy hiểm, làm mất tính ổn định và tính điều khiển của xe vì chúng gia tăng lực ly tâm (vận tốc quay vòng của xe tăng dẫn đến lực ly tâm khi quay vòng tăng theo)

1.2.3 Tính dẫn hướng của ô tô khi xe chuyển động thẳng

Độ ổn định hay tính dẫn hướng chuyển động thẳng là khả năng bánh xe giữ được ở vị trí trung gian khi ô tô chuyển động thẳng và khả năng tự trở về vị trí trung gian khi bánh xe bị lệch khỏi vị trí trung gian đó, nguyên nhân do có sự tác động của các lực ngẫu nhiên trong quá trình chuyển động của ô tô mà không có sự tham gia của người điều khiển Điều khiển ô tô có tính ổn định của bánh xe dẫn hướng kém sẽ khó khăn vì các bánh xe dẫn hướng luôn bị lệch về một phía Ở những ô tô này, người lái luôn phải quay vành lái để giữ cho ô tô chuyển động theo một hướng đã định Độ ổn định chuyển động thẳng chịu ảnh hưởng bởi tính điều khiển của ô tô và tính ổn định của bánh xe dẫn hướng

Khi xe chuyển động thẳng và có lực ngang Pvy sinh ra do gió ngang hoặc đường nghiêng ngang, tính dẫn hướng của ô tô úc này sẽ xác định quỹ đạo chuyển động của ô

tô Trong trường hợp này, do sự biến dạng ngang của lốp, chiếc xe có xu hướng đi lệch khỏi hướng chuyển động thẳng và thực hiện một sự quay vòng nào đó Lúc này, để giữ cho xe ở quỹ đạo chuyển động thẳng, người lái xe sẽ tác động lên vô lăng lái sang trái hoặc sang phải để đưa xe trở về hướng chuyển động ban đầu Sẽ rất nguy hiểm nếu ở tốc độ cao mà có sự xuất hiện của lực ngang, người lái xe không đủ thời gian để xử lý và lúc này chiếc xe sẽ mất tính ổn định chuyển động thẳng

1.2.4 Các góc đặt bánh xe dẫn hướng

Trong quá trình chuyển động của ô tô, các bánh xe dẫn hướng phải được giữ ở trạng thái ổn định để giảm tối đa các lực cản chuyển động, các bánh xe phải lăn trong mặt phẳng thẳng đứng song song với trục dọc của ô tô Do đó, các bánh xe và trụ đứng phải được lắp lệch một góc nhất định so với mặt đường và hệ thống treo cho từng mục đích cụ thể Các góc này được gọi là góc đặt bánh xe, trên ô tô thông thuò có 4 loại góc đặt bánh xe: góc nghiêng ngang của bánh xe (Camber α); góc nghiêng ngang của trụ đúng (Kingpin β); góc nghiêng dọc của trụ đứng (Caster γ) và độ chụm (δ) của bánh xe dẫn hướng

1.2.4.1 Góc nghiêng ngang của bánh xe (Camber – α)

Hình 1.3: Góc nghiêng ngang của bánh xe dẫn hướng

Đây là góc nghiêng của bánh xe trong mặt phẳng đứng ngang xe khi nhìn từ phía trước của xe Góc này được tạo bởi đường tâm của bánh xe trong mặt phẳng lăn và đường thẳng vuông góc với mặt đường

8

Góc này có nhiệm vụ đảm bảo cho bánh xe dẫn hướng lăn vuông góc với mặt đường dưới tác động của tải trọng bánh xe, giảm momen cản quay vòng của xe (làm giảm lực tay lái) Góc nghiêng ngang của bánh xe thường có giá trị từ 0o – 1,5o Trên các ô tô du lịch hiện đại có vận tốc chuyển động cao và sử dụng lốp áp suất thấp để nâng cao tính ổn định chuyển động khi quay vòng, bánh xe có thể đặt nghiêng vào trong Vì vậy góc α được gọi là dương khi nghiêng ra ngoài và âm khi nghiêng vào trong

1.2.4.2 Góc/độ chụm của bánh xe (Toe in – Toe out δ)

Hình 1.4: Góc/độ chụm của bánh xe

Khi có góc nghiêng ngang, các bánh xe dẫn hướng có xu hướng chạy ra hai bên, để giữ cho bánh xe chạy thẳng, cần có độ chụm của các bánh xe dẫn hướng δ Độ chụm này được xác định bởi hiệu số giữa khoảng cách b đo được giữa hai mép bánh xe phía sau và khoảng cách a đo được giữa hai mép bánh xe phía trước ở độ cao ngang với trục của nó Đối với các ô tô hiện nay độ chụm thường nằm trong khoảng δ = 0 – 5mm cho xe du lịch Đối với trường hợp góc nghiêng ngang của bánh xe δ có giá trị âm thì độ chụm có chiều ngược lại

1.2.4.3 Góc nghiêng ngang của trục đứng (Kingpin β) và góc nghiêng dọc của trụ đứng (Caster γ)

Trong quá trình chuyển động, ô tô thường xuyên phải chịu tác động ngẫu nhiên (do độ mấp mô mặt đường, gió ngang…) làm cho bánh xe dẫn hướng có xu hướng bị lệch đi một góc so với phương chuyển động thẳng Vì vậy, để giữ ổn định chuyển động thẳng thì các bánh xe phải có khả năng tự trở về vị trí trung gian, đây chính là khả năng tự ổn định chuyển động của bánh xe dẫn hướng Sự ổn định của bánh xe dẫn hướng

được thực hiện nhờ tính đàn hồi của lốp và nhờ sự bố trí thích hợp của trụ đứng trong hệ thống lái Vì vậy, trụ đứng được bố trí nghiêng vào trong một góc β trong mặt phẳng đứng ngang xe và nghiêng vào trong một góc γ trong mặt phẳng đứng dọc xe

- Góc nghiêng ngang của trụ đứng β: là góc nghiêng của trụ đứng trong mặt phẳng đứng ngang xe Góc này có tác dụng làm giảm lực tay lái; bánh xe quay sang phải hoặc sang trái, với tâm quay là trục xoay đứng còn bán kính quay là khoảng lệch a, nên độ lệch a càng lớn thì momen cản quay vòng càng lớn (do sức cản quay của lốp xe), vì vậy lực tay lái cũng tăng lên Còn khi có độ lệnh giữa tâm trụ đứng và tâm lốp xe một góc β thì độ lệch a được giảm đi từ đó sẽ làm giảm lực đánh lái cần thiết mà người lái phải tác dụng lên vô lăng lái Ngoài ra, góc β còn làm giảm lực phản hồi: nếu khoảng cách a quá lớn, lực kéo của xe hoặc lực phanh sẽ tạo ra momen quay quanh trục quay đứng lớn, tỷ lệ thuận với khoảng lệch Mặt khắc, góc β còn làm tăng độ ổn định khi đi trên đường thẳng: góc nghiêng β giúp cho bánh xe tự động quay trở về vị trí chạy thẳng khi bánh xe bị lệch khỏi vị trí này sau khi quay vòng, vì nó sẽ được tự động nâng lên một độ cao h, tạo nên momen quay bánh xe về vị trí trung gian Ở các ô tô ngày ngay β có giá trị vào khoảng 6 – 10o

Hình 1.5: Góc nghiêng ngang của trụ đứng trong mặt phẳng đứng ngang xe

- Góc nghiêng dọc của trụ đứng γ trong mặt phẳng đứng dọc xe: tạo ra độ ổn định trên đường thẳng khi trụ đứng quay bánh xe để đưa xe đi vào đường vòng, nếu

10

các bánh xe có góc caster γ thì lốp sẽ bị nghiêng đi so với mặt đường và tạo ra momen ổn định với cánh tay đòn c, có xu hướng nâng xe lên Momen này đóng vai trò như một lực hồi vị bánh xe, có xu hướng đưa thân xe trở về vị trí nằm ngang và duy trì độ ổn định trên đường thẳng của xe Mặt khác, bánh xe sẽ được hồi vị khi có góc caster γ, giao điểm giữa đường tâm trục xoay đứng với mặt đường sẽ nằm phía trước tâm điểm tiếp xúc giữa lốp xe với mặt đường Vì lốp xe được kéo về phía trước nên lực kéo này sẽ lấn át các lực có xu hướng làm cho bánh xe mất ổn định, giữ cho bánh xe chạy ổn định theo đường thẳng Ở các ô tô ngày ngay, góc caster γ có giá trị nằm trong khoảng 1 – 4o

Hình 1.6: Góc nghiêng dọc của trụ đứng trong mặt phẳng đứng dọc xe

Cần lưu ý răng, trong quá trình sử dụng, người ta chỉ điều chỉnh được độ chụm của bánh xe dẫn hướng khi nó bị sai lệch so với tiêu chuẩn Các góc đặt của trục quay đứng (β và γ), góc nghiêng ngang của bánh xe dãn hướng α là các thông số thường không điều chỉnh được trong quá trình sử dụng

1.3 Chọn phương án thiết kế hệ thống lái

1.3.1: Chọn phương án thiết kế cơ cấu lái:

Cơ cấu lái là bộ giảm tốc đảm bảo tăng mô men tác động của người lái đến các bánh xe dẫn hướng Tỷ số truyền của cơ cấu lái thường bằng 18 đến 20 đối với xe con và bằng 21 đến 25 đối với xe tải

Một cơ cấu lái thiết kế cần được đáp ứng những yêu cầu sau:

- Có tính thuận nghịch để bánh xe dẫn hướng có khả năng quay tại vị trí trung gian khi quay vòng

- Có hiệu suất cao, đảm bảo lái nhẹ

Có nghĩa là hiệu suất thuận (từ vô lăng xuống bánh xe dẫn hướng) lớn hơn nhiều so với hiệu suất nghịch (từ bánh xe dẫn hướng lên vô lăng), để cho các va đập từ mặt đường bị dập tắt không bị truyền lên vô lăng Do đó, đa số các cơ cấu lái đều có tính thuận nghịch, có ma sát bên trong có khả năng hấp thu chấn động Ở vị trí trung gian tương ứng khi xe chạy thẳng, khe hở trong các cơ cấu lái phải là nhỏ nhất vì ở vị trí này cơ cấu lái sẽ bị mài mòn nhiều nhất và khe hở cơ cấu lái ở các vị trí hai bên sẽ có thể lớn hơn

1.3.1.1 Phương án 1 - Cơ cấu lái trục vít con lăn

Loại cơ cấu lái này hiện được sử dụng rộng trên phần lớn các ô tô Liên Xô loại có tải trọng bé và tải trọng trung bình đều lắp đặt loại cơ cấu này Cơ cấu lái gồm trục vít lõm goboloit 5 ăn khớp với con lăn 3 (có 3 ren) đặt trên các ổ bi kim trục của đòn quay đứng Số lượng ren của loại cơ cấu lái trục vít con lăn có thể là một, hai hoặc 3 tùy theo lực truyền qua cơ cấu lái

Đây là loại cơ cấu lái tương đối thông dụng cho các loại xe du lịch và xe thương mại hạng nhẹ, với trục vít có dạng lõm nên dù chiều dài của nó không lớn nhưng diện tích tiếp xúc giữa các răng lớn, vì vậy áp suất riêng trên bề mặt nhỏ, tăng khả năng chống mài mòn Mặt khác tải trọng tác dụng lên các chi tiết được phân chia cho các đường ren nên tăng khả năng chịu lực, tùy theo cỡ ô tô mà làm con lăn có hai đến bốn vòng ren Ma sát trong cơ cấu lái là ma sát lăn nên tổn hao ma sát nhỏ

Vỏ cơ cấu lái làm bằng gang và được bắt chặt với dầm dọc bên trái khung Trục vít lõm, con lăn được làm bằng thép

Ưu điểm: Cơ cấu lái loại trục vít lõm - con lăn có 3 răng có kết cấu gọn, độ bền cao, lực tác dụng phân ra 3 răng nên áp lực tác dụng lên bề mặt răng nhỏ, ma sát trượt được thay bằng ma sát lăn nên có hiệu suất cao vì tổn hao do ma sát ít, loại ổ bi của trục vít con lăn có khả năng điều chỉnh khe hở ăn khớp giữa các bánh răng Đường trục của con lăn nằm lệnh với đường trục của trục vít một đoạn  = 5  7 mm, điều này cho phép triệt tiêu sự ăn mòn khi ăn khớp bằng cách điều chỉnh trong quá trình sử dụng

12

Cơ cấu lái loại trục vít lõm – con lăn có hiệu suất thuận th=0.65, hiệu suất nghịch ng=0.5

Hình 1.7 Cấu tạo cơ cấu lái trục vít con lăn 1: Vỏ cơ cấu lái

1.3.1.2 Phương án 2 – Cơ cấu lái kiểu trục vít ecu bi- thanh răng - cung răng

Đây là loại cơ cấu lái loại này hiện nay đang được sử dụng rộng rãi trên các xe ô tô tải, cả cho xe thương mại cỡ lớn vì khả năng tạo ra tỷ số truyền lớn bao gồm trục vít, đai ốc là một đoạn thanh răng ăn khớp với cung răng Bên trong các rãnh ăn khớp của đĩa ốc với trục vít là các viên bi thép có ống dẫn, các viên bi thép sẽ biến ma sát trượt thành ma sát lăn, cho phép đạt được hiệu suất cao đến 0,85 (hiệu suất thuận 0,87, hiệu suất nghịch 0,82) Đây là loại cơ cấu lái liên hợp, với cấu trúc nhỏ gọn, và có hiệu suất cao

Cơ cấu lái trục vít ecu bi – thanh răng cung răng có cấu tạo gồm một trục vít có hai đầu được đỡ bằng ổ bi đỡ chặn Trục vít và ecu có rãnh tròn có chứa các viên bi lăn trong rãnh và truyền lực Khi đến cuối rãnh thì các viên bi theo đường hồi bi trở lại vị trí ban đầu Khi trục vít quay (phần chủ động), ecu bi chạy dọc trục vít, chuyển động

này làm quay răng rẻ quạt Trục của bánh răng rẻ quạt là trục đòn quay đứng Khi bánh răng rẻ quạt quay làm cho đòn quay đứng quay, qua các đòn dẫn động làm quay bánh xe dẫn hướng Trong cơ cấu lái này ma sát trượt được thay thế bằng ma sát lăn vì vậy đảm bảo được tỉ số truyền của cơ cấu lái lớn và cơ cấu lái có tính chất “trả tay lái” khi quay vòng

Cơ cấu lái kiểu trục vít ecu bi – cung răng có những ưu điểm như sau: Lực cản nhỏ, ma sát giữa trục vít và trục rẻ quạt rất nhỏ (do có ma sát lăn)

Hình 1.8: Cơ cấu lái kiểu ecu bi 1 Vỏ cơ cấu lái

Tỷ số truyền: ta có thể giảm nhẹ lực đánh lái khi xe chạy chậm hoặc đang đỗ bằng cách thay đổi tỷ số truyền của cơ cấu lái Tuy nhiên khi tăng tỷ số truyền của cơ cấu lái thì làm giảm độ nhạy của hệ thống lái Trên các xe có trợ lực lái ta dùng cơ cấu lái có tỷ số truyền không thay đổi được Đặc điểm của loại cơ cấu lái có tỷ số truyền không đổi là các bán kính ăn khớp của các răng rẻ quạt C1, C2, C3 là bằng nhau và các bán kính ăn khớp D1, D2, D3 của các răng đai ốc bi cũng bằng nhau Do vậy, tỷ số truyền của mỗi răng là không đổi ở bất kỳ góc quay nào của trục bánh răng rẻ quạt và bằng tỷ số truyền với nhau

14

Hình 1.9: Cơ cấu lái loại trục vít ecubi cung răng có tỷ số truyền không đổi 1.3.1.3 Phương án 3 – Cơ cấu lái kiểu bánh răng – thanh răng

Cơ cấu lái kiểu bánh răng – thanh răng gồm các bánh răng ở phía dưới trục lái chính ăn khớp với thanh răng, trục bánh răng được lắp trên các ổ bi Thanh răng có cấu tạo răng nghiêng, phần cắt răng của thanh răng nằm ở phía giữa, phần thanh còn lại có tiết diện tròn Khi quay vô lăng vô lăng lái, momen được truyền từ trục lái qua cơ cấu lái làm quay bánh răng, cơ cấu lái bánh răng thanh răng có vai trò biến chuyển động quay của bánh răng thành thanh răng chuyển động tịnh tiến sáng phải hoặc trái trên hai bạc trượt Sự dịch chuyển của thanh răng được truyền tới đòn bên được lắp với các đầu thanh răng, từ đó tác động lên bánh xe dẫn hướng làm cho bánh xe dẫn hướng quanh trụ xoay đứng theo sự điều khiển của người lái

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 cơ cấu lái bánh răng – thanh răng làm việc êm và phù hợp với bố trí vành lái trên xe

Ưu điểm của cơ cấu lái kiểu bánh răng – thanh răng:

Cơ cấu lái bánh răng – thanh răng có kết cấu 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

Cơ cấu lái này làm cho hệ thống lái có độ nhạy cao vì ăn khớp giữa các răng là ănn khớp trực tiếp Sức cản trượt, cản lăn nhỏ và truyền momen rất tốt nên tay lái nhẹ Phù hợp với các dòng xe du lịch nhỏ

Cơ cấu lái được bao kín hoàn toàn nhờ các chụp bụi và độ kín khít của hệ thống nên ít phải chăm sóc bảo dưỡng

Hình 1.10: Cơ cấu lái kiểu bánh răng – thanh răng 1 Trục lái

2 Chụp nhựa 3 Đai ốc điều chỉn 4 Ổ bi trên

5 Vỏ cơ cấu lái

6 Dẫn hướng thanh răng

Với 4 phương án trên em chọn phương án 4 làm phương án thiết kế cơ cấu lái chính cho hệ thống lái xe du lịch 4 chỗ Huyndai Accent, với các xe nhỏ thì ưu tiên sự gọn nhẹ và kết cấu đơn giản

Đối với xe du lịch ta sẽ hệ thống có trợ lực lái, vì vậy ta chỉ cần cơ cấu lái đơn giản không cần có tỉ số truyền phải lớn và thay đổi, đồng thời với cơ cấu lái bánh răng – thanh răng thì thanh răng được lấy luôn là 1 khâu của hình thang lái

1.3.2 Chọn phương án thiết kế 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

16

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 ô tô là rất phức tạp, để đảm bảo đúng mối quan hệ động học của các bánh xe phía trong và phía ngoài 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

1.3.2.1 Dẫn động lái bốn khâu

Hình thang lái bốn khâu đơn giản dễ chế tạo đảm bảo được động học và động lực học quay vòng của 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 xe có hệ thống treo phụ thuộc, còn trên xe du lịch ngày nay hệ thống treo độc lập không dùng được

Hình 1.11: Dẫn động lái 4 khâu 1.3.2.2 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 hệ dẫn động sáu khâu là dễ lắp đặt cơ cấu lái, giảm được không gian làm việc, bố trí cường hóa 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, Hyundai, Nissan, Mercesdes, Kia …

Hình 1.12: Dẫn động lái sáu khâu

Với đề tài “Thiết kế hệ thống lái xe dựa trên thông số xe tham khảo Hyundai Accent” sử dụng hệ thống treo độc lập dầm cầu chủ động kiểu McPhearson, ta chọn hệ 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

1.3.3 Lựa chọn phương án thiết kế trợ lực lái

Để giảm cường độ hoạt động của người lái thì hệ thống lái cần có trợ lực Hệ thống trợ lực lái trên xe du lịch có các kiểu sau: trợ lực khí nén, trợ lực thủy lực và trợ lực điện

1.3.3.1 Hệ thống trợ lực bằng thủy lực

Hình 1.13: Sơ đồ cấu tạo chung của hệ thống lái sử dụng trợ lực lái thủy lực

18

Hệ thống lái trợ lực bằng thủy lực được sử dụng rộng rãi trên các hệ thống lái ô tô, nhằm giảm lực điều khiển vô lăng của người lái để được người lái xe quay vô lăng lái nhẹ nhàng và linh hoạt hơn Ngoài ra trợ lực lái còn có tác dụng hấp thu các chấn động từ mặt đường truyền lên vô lăng

Hệ thống gồm 3 phần chính: bơm trợ lực (bơm cánh quạt), van điều khiển, xylanh lực Van điều khiển gồm 3 loại: kiểu van cánh, kiểu van ống và kiểu van quay

a Nguyên lý hoạt động

Hình 1.14: Sơ đồ nguyên lý hoạt động

Nguyên lý hoạt động đối với cơ cấu lái thanh răng – bánh răng có trợ lực: Piston trong xi lanh trợ lực được đặt trên thanh răng, và thanh răng dịch chuyển do áp suất dầu tạo ra từ bơm trợ lực lái tác động lên pít tông theo hướng này hoặc hướng kia Một phớt dầu đặt trên pít tông để ngăn dầu khỏi rò rỉ ra ngoài Trục van điều khiển được nối với trục lái Khi vô lăng ở vị trí trung gian (xe chạy thẳng) thì van điều khiển cũng ở vị trí trung gian do đó dầu từ bơm trợ lực lái không vào khoang nào của xilanh trên thanh răng mà quay trở lại bình chứa Tuy nhiên, khi vô lăng quay theo hướng nào đó thì van điều khiển thay đổi đường truyền do vậy dầu chảy vào một trong các buồng Dầu trong buồng đối diện bị đẩy ra ngoài và chảy về bình chứa theo van điều khiển Nhờ áp lực dầu làm dịch chuyển thanh răng mà lực đánh lái giảm đi

b Ưu nhược điểm của hệ thống - Ưu điểm:

Giúp người lái điều khiển nhẹ nhàng hơn so với hệ thống lái không có trợ lực vì có thêm trợ lực của xylanh lực tác động lên thanh răng do áp suất dầu của bơm trợ lực gây ra

Là cơ cấu an toàn khi xe bị nổ lốp hoặc xì hơi Kết cấu đơn giản so với hệ thống trợ lực khí nén và trợ lực điện Làm việc tin cậy có độ bền cao, chịu được va đập nhẹ

- Nhược điểm:

Áp suất dầu được tạo ra từ bơm mà bơm dầu lại được dẫn động từ trục khuỷu của động cơ và bơm dầu luôn hoạt động trong suốt quá trình xe chạy vì vậy là tốn công suất của động cơ thường xuyên Hệ thống cần độ kín khít cao, nên thường xuyên phải kiểm tra sự dò dỉ dầu của hệ thống Kết cấu đơn giản nhưng hệ thống cồng kềnh dẫn đến tăng khối lượng của hệ thống Làm việc ồn do tiếng kêu của bơm dầu và dầu chảy qua các đường ống và van, dầu là chất thải gây ô nhiễm môi trường

Hệ thống trợ lực lái thủy lực mới chỉ đáp ứng được công dụng trợ lực cho người lái giúp người lái điều khiển nhẹ nhàng nên hệ thống trợ lực dầu còn nhiều hạn chế như sau:

Hệ thống làm việc theo 2 thông số là momen và góc quay trục lái do người điều khiển tác dụng nên chỉ đáp ứng được mặt trợ lực mà chưa đáp ứng được tỉ số truyền lực thay đổi theo tốc độ của xe Về mặt tỉ số truyền góc bị hạn chế rất lớn đó là ở tốc độ thấp cần tỉ số truyền thấp để người lái quay vòng hiệu quả: người điều khiển phải quay vành lái ít và ở tốc độ cao cần có tỉ số truyền cao vì lúc này mức phản ứng của xe rất nhạy nhưng hệ thống chưa đáp ứng được

1.3.3.2 Hệ thống trợ lực lái điều khiển bằng điện

a Đặc điểm của hệ thống lái trợ lực điện

Các bộ phận của trợ lực điện gồm các bộ phận sau: cảm biến momen, motor điện một chiều, ECU, cảm biến tốc độ ô tô, và các dây điện

Cảm biến momen có nhiệm vụ xác định momen trên trục lái do người lái tác dụng thông qua vành lái, từ đó gửi tín hiệu này đến ECU

Cảm biến tốc độ xe có nhiệm vụ đưa tín hiệu tốc độ của ô tô tới ECU

20

Hình 1.15: Sơ đồ hệ thống lái trợ lực điện

Motor điện một chiều được dẫn động từ ECU, motor truyền momen qua khớp nối sang trục vít sang bánh vít bắt trên trục lái ECU bộ phận điều khiển ECU nhận tín hiệu từ cảm biến momen và cảm biến tốc độ xe từ đó tính toán momen cần trợ lực sau

đó điều khiển motor điện

Hình 1.16: Motor và bộ truyền trục vít – bánh vít của trợ lực lái

b Nguyên lý làm việc của hệ thống trợ lực lái bằng điện

Theo hình ta thấy nguyên lý làm việc dựa trên nguyên tắc là ECU tiếp nhận 2 tín hiệu chính: tín hiệu đưa vào từ cảm biến momen của trục lái, cảm biến tốc độ bánh xem, từ đó ECU tính toán dẫn động motor điện trợ lực momen thích hợp với lực đánh lái Lực đánh lái càng nhiều thì motor điện càng phải trợ lực nhiều hơn, nhưng momen trợ lực của motor sẽ được điều khiển giảm dần khi vận tốc của xe tăng dần

Ở trạng thái quay vòng: người điều khiển quay vành lái tác động lên cảm biến momen, cảm biến momen truyền tín hiệu cảm biến được tới ECU kết hợp với tín hiệu từ cảm biến tốc độ của xe mà ECU tính toán dẫn động motor điện trợ lực momen thích hợp và nhờ cảm biến momen mà ECU xác định được chiều quay của trục lái, từ đó điều khiển chiều quay của motor điện cho thích hợp

Ở trạng thái xe đi thẳng: trục lái không quay nên cảm biến momen không phát hiện có momen trên trục lái, tín hiệu đưa vào ECU của cảm biến momen trục lái là không có nên ECU chưa điều khiển motor điện trợ lực, vì thế trạng thái đi thẳng được giữ nguyên mà không có trợ lực

Hình 1.17: Sơ đồ tín hiệu tiếp nhận và điều khiển của ECU

c Ưu nhược điểm so với hệ thống trợ lực thủy lực - Ưu điểm:

Ta thấy hệ thống trợ lực lái sử dụng thủy lực làm việc dựa trên 2 thông số là momen và góc quay trục lái, còn đối với trợ lực lái điện việc dựa trên nhiều thông số như tốc độ xe, momen trục lái, tốc độ động cơ, chế độ không tải, góc quay trục lái vì vậy ta có những ưu điểm của hệ thống trợ lực điện như sau:

Tạo ra được tỉ số truyển lực của hệ thống thay đổi theo tốc độ của xe, xe ở tốc độ thấp thì tỉ số truyền nhỏ, ngược lại ở tốc độ cao thì hệ thống sẽ thay đổi tỉ số truyền lớn Momen trợ lực của động cơ điện được điều kiển thay đổi tốc độ của xe vì vậy ưu điểm lớn nhất của hệ thống lái trợ lực điện là momen trợ lực của động cơ điện thay đổi phù hợp theo tốc độ của xe

22

So với trợ lực thủy lực thì trợ lực điện làm việc êm hơn vì không có tiếng kêu của bơm trợ lực và kết cấu tuy phức tạp hơn nhưng lại gọn hơn vì vậy mà trọng lượng của hệ thống được giảm hơn so với trợ lực lái thủy lực

Khi trợ lực bị hỏng thì lực điều khiển của người lái chỉ nặng như xe không có trợ lực chứ không nặng như trường hợp hỏng của trợ lực thủy lực

- Nhược điểm: kết cầu và chế tạo phức tạp Chịu va đập kém Giá thành cao

1.3.3.3 Lựa chọn phương án thiết kế trợ lực lái

Qua phân tích đặc điểm, cũng như ưu nhược điểm của hệ thống trợ lực lái điện và trợ lực lái thủy lực, với những thế mạnh của trợ lực lái điện đã được trình bày ở trên thì em chọn phương án thiết kế hệ thống trợ lực lái là hệ thống trợ lực lái trợ lực điện

1.3.4 Lựa chọn phương án bố trí trợ lực lái

Dựa theo vị trí của motor trợ lực lái ta có các phương án bố trí sau:

1.3.4.1 Phương án 1 – Motor trợ lực vào cơ cấu lái

Hình 1.18: Sơ đồ bố trí trợ lực lái theo kiểu motor trợ lực lái cho bánh răng chủ động

Nguyên lý hoạt động: ECU điều khiển motor trợ lực vào bánh răng chủ động của cơ cấu lái, nên momen của motor không cần phải lớn, tuy nhiên với phương án này, việc đặt motor trợ lực cho bánh răng chủ động của cơ cấu lái sẽ tốn không gian bố trí bên dưới và đồng thời phải đòi hỏi cơ cấu lái phải được chế tạo phù hợp để ghép với động cơ điện

1.3.4.2 Phương án 2 - Motor trợ lực vào thanh răng

Hình 1.19: Sơ đồ nguyên lý trợ lực cho thanh răng

Nguyên lý hoạt động: motor trợ lực được điều khiển bởi ECU trợ lực lên thanh răng của hệ thống Động cơ điện lắp trên thanh răng nên cơ cấu lái được giảm tải, tuy nhiên động cơ điện cần phải có momen lớn hơn nhiều so với phương án đặt động cơ

24

điện tại trục lái, vì vậy bộ phận giảm tốc cần có tỷ số truyền lớn hơn và kết cấu cồng kềnh hơn

1.3.4.3. Phương án 3 - Motor trợ lực cho trục lái

Hình 1.20: Sơ đồ nguyên lý trợ lực kiểu column-type

Nguyên lý hoạt động: ECU điều khiển motor trợ lực vào trục lái của hệ thống Motor trợ lực, cảm biến momen và ECU được gắn vào trục lái

Với kiểu này motor và phần điều khiển ECU đặt trên trục lái nên không gian bên dưới phần cơ cấu lái và thanh răng gọn nên dễ dàng bố trí và cũng thuận tiện cho công việc tháo lắp bảo dưỡng sửa chữa motor và phần điều khiển ECU

Ở phương án này, động cơ điện lắp ngay trên trục lái nên đòi hỏi momen không quá lớn, đồng thời nhờ vậy mà bộ giảm tốc có kết cấu nhỏ gọn, tuy nhiên với cách bố trí này làm cho cơ cấu lái phải chịu tải trọng lớn hơn

1.3.4.4 Phương án 4 - Hệ thống trợ lực thủy lực – điện

Hình 1.21: Sơ độ hệ thống lái trợ lực thủy lực – điện

Nguyên lý hoạt động: lưu lượng dầu từ bơm đến van phân phối được điều chỉnh bằng van điện từ: ECU tiếp nhận tín hiệu từ cảm biến tốc độ xe từ đó điển kiển van điện từ tăng giảm lưu lượng dầu phù hợp với tốc độ của ô tô, vận tốc ô tô càng cao thì van điện từ đóng bớt đường dầu lại và ngược lại

Với phương pháp này hệ thống vẫn còn mang những nhược điểm của hệ thống lái trợ lực thủy lực nhưng cũng giải quyết được vấn đề thay đổi được tỉ số truyền theo tốc độ của xe

Lựa chọn phương án thiết kế: qua các ưu nhược điểm, cách bố trí của các

phương án đã trình bày ở trên em chọn phương án số 3 là hệ thống trợ lực lái điện kiểu động cơ điện trợ lực cho trục lái trong việc thiết kế trợ lực lái với loại xe tham khảo là Huyndai Accent

26

1.4 Bảng thông số kĩ thuật xe Huyndai Accent 2021 1.4 AT

Hình 1.22: Hình ảnh xe tham khảo Hyundai Accent 2021

BẢNG THÔNG SỐ KĨ THUẬT XE HYUNDAI ACCENT 2021 1.4 AT

Dài x Rộng x Cao (mm) 4,385 x 1,729 x 1,475

Khoảng cách từ cầu trước đến trọng tâm Trọng lượng toàn tải G (N) 15,400 Trọng lượng toàn tải tác dụng lên cầu

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG LÁI

2.1 Sơ đồ động học hệ thống lái

2.1.1 Sơ đồ cấu tạo của hệ thống lái

Hình 2.1: Sơ đồ kết cấu hệ thống lái đơn giản 1 Vô lăng

2 Trục lái

3 ECU EPS, Motor

4 Cảm biến momen xoắn 5 Trục trung gian

6 Cơ cấu lái và thanh liên kết

2.1.2 Vô lăng lái

Vô lăng lái có kết cấu cơ bản bao gồm vành tay lái, vỏ bọc thân xốp, bộ phận chức năng còi và túi khí Khi lái xe điều khiển tác động vào vô lăng, nó sẽ chịu lực lái liên tục Thiết kế cấu trục cơ bản (vành tay lái) yêu cầu phải được làm từ kim loại nhẹ như nhôm hoặc maggiê Trong trường hợp va chạm, vô lăng lái phải có khả năng hấp thụ một lượng năng lượng cao, nhưng không gây phá vỡ Các năng lượng hấp thụ chủ yếu làm biến dạng vùng vành lái dưới vô lăng, điều này được thực hiện bởi một thiết kế phù hợp của ác nan hoa và kết nối với vòng khung xương trung tâm của vô lăng Túi khí

28

khi va chạm đột ngột có tác dụng bảo vệ cho người lái xe, yêu cầu phải được thực hiện ngay trong vòng 30 mili giây khi có tai nạn va chạm

Vành lái có dạng vành tròn Lực của người lái tác dụng lên vành lái tạo ra mô men quay để hệ thống lái làm việc Mô men tạo ra trên vành lái là tích số của lực người lái trên vành tay lái với bán kính của vành lái

Mvl=Pl.rvl Trong đó:

Mvl: Là mô men vành lái

Pl: Là lực mà người lái tạo ra trên vành lái rvl: Là bán kính vành lái

Vành lái của bất kỳ loại ôtô nào cũng có độ dơ nhất định, với xe con không được vượt quá 80

2.1.3 Trục lái

Chức năng cơ bản của trục tay lái là thiết lập liên kết cơ khí giữa vô lăng và cơ cấu lái Vô lăng của xe và bánh răng của cơ cấu lái được liên kết sao cho bất kì chuyển động nào bắt đầu từ vô lăng sẽ được chuyển đổi hoàn toàn về động học và động lực học Từ vô lăng lái đến cơ cấu dẫn hướng trước, trục tay lái chủ yếu đảm nhận vai trò đỡ hệ thống lái phía trên, trục tay lái bao gồm một trục giao diện với vô lăng, gồm một hoặc nhiều chi tiết và trục lái trung gian Trục lái thường có hai loại: Loại trục lái có thể thay đổi được góc nghiêng và loại trục lái không thay đổi được góc nghiêng Trục tay lái loại thay đổi được góc nghiêng cho phép định vị tay lái so với người lái xe, người ta phân biệt độ nghiêng tay lái hoặc điều chỉnh theo phương đứng/ phương dọc để vị trí ngồi lái tốt nhất cho người lái Trục lái loại thay đổi được góc nghiêng có thể điều chỉnh bằng tay hoặc bằng điện, được dẫn động bằng một hoặc hai động cơ và sử dụng cơ chế độc lập để tạo ra cả hai chuyển động Khi người lái xe đã ngồi ở vị trí thuận tiện nhất, các bộ phận có thể di chuyển của điều chỉnh phải được khóa một cách đáng tin cậy Điều quan trọng là cơ chế khóa phải khóa và mở khóa trơn tru trong khi tạo ra lực kẹp cao Ngoài ra, với trục lái còn có những chức năng:

- Cho phép ổ khóa cơ hoặc khóa điện khóa vô lăng lái để chống trộm

- Dùng để gắn các công tắc trục lái (đèn báo, gạt nước kính chắn gió, công tắc đa chức năng)

- Kết hợp với một cơ cấu hấp thụ va đập, cơ cấu này hấp thụ lực dọc trục tác dụng lên người lái khi có va đập mạnh hoặc khi tai nạn xảy ra

Trục tay lái và trục lái trung gian được cấu hình làm một môdun chung hoặc các bộ phận riêng biệt Trục lái trung gian được liên kết với trục tay lái và kết nối với cơ cấu lái

2.1.4 Cơ cấu lái thanh răng – bánh răng

Hình 2.2: Kết cấu cơ cấu lái thanh răng – bánh răng

Cơ cấu lái thường được dùng nhất cho xe du lịch và xe thương mại nhẹ là cơ cấu lái thanh răng – bánh răng, cơ cấu lái này biến chuyển động quay của vô lăng trực tiếp thành chuyển động tịnh tiến ngang của thanh răng, đồng thời cơ cấu lái bánh răng – thanh răng cũng đảm nhiệm luôn chức năng của hệ dẫn động lái với thanh răng đóng vai trò là đòn kéo ngang của hình thang lái, từ đó tác động trực tiếp lên các bánh xe dẫn hướng Do vậy, kết cấu của hệ thống lái dạng thanh răng – bánh răng rất đơn giản, gọn nhẹ và ít tốn không gian bố trí

30

Bánh răng trụ chéo: được kết nối với trục tay lái và vô lăng lái bằng trục lái trung gian, ăn khớp với thanh răng, biến đổi chuyển động quay của vô lăng lái thành chuyển động tịnh tiến của thanh răng Bánh răng trụ chéo được lắp trên ổ bi trên và dưới, trong đó ổ bi dưới thường là một ổ bi kim hoặc có khi là một ổ bi cầu có kích thước nhỏ hơn ổ bi trên

Thanh răng: có nhiệm vụ chuyển đổi chuyển động quay của vô lăng lái thông qua bánh răng trụ chéo, thành sự chuyển động tịnh tiến sang trái hoặc phải để thực hiện sự quay các bánh xe dẫn hướng tương ứng Thanh răng phải đủ độ bền uốn do lực các thanh đẩy hai bên (rotuyn lái trong) từ các bánh xe dẫn hướng tạo ra Vật liệu của thanh răng thường là SAE 1040, C40 – C43, EN8C, hoặc các loại thép hợp kim 37CrS4, 41CrS4, và làm bằng thép thanh tròn

Cơ cấu lái thanh răng – bánh răng có hiệu suất cao theo cả hai chiều đánh lái của vô lăng

2.1.5 Trợ lực lái điện EPS

Trong những năm gần đây, trợ lực lái bằng điện (Electric Power Steering Systems – EPS) được sử dụng ngày càng phổ biến hơn trên các hệ thống lái ô tô du lịch Đối với trợ lực lái điện, momen trợ lực do động cơ điện cung cấp phụ thuộc vào lực tác dụng lên vô lăng (momen cản quay vòng) và vận tốc chuyển động Ưu điểm của hệ thống lái trợ lực điện so với trợ lực bằng thủy lực là nó chỉ được kích hoạt khi cần thiết Đây được gọi là hệ thống điện theo yêu cầu, tức là năng lượng chỉ được cung cấp khi xe được đánh lái Kết quả là sự tiêu hao năng lượng trung bình khá thấp, dẫn đến quãng đường đi được tốt hơn và ít phát sinh khí thải CO2 Do bị hạn chế về mặt công suất động cơ điện trợ lực, khi ứng dụng cho các xe tải nặng và xe khách thì phải có động cơ điện đủ lớn để tạo ra lực cho phù hợp, dẫn đến không gian thiết kế hệ thống lái bị hạn chế Do đó, hệ thống trợ lực lái trợ lực bằng điện sẽ không phù hợp với xe tải trọng lớn, nhưng đối với thiết kế xe du lịch hạng nhẹ, thì trợ lực lái điện rất thích hợp

Sơ đồ nguyên lý của hệ thống trợ lực lái điện như hình 3.3, động cơ điện 2 cung cấp momen bổ sung vào trục lái thông qua bộ truyền trục vít – bánh vít 3 để hỗ trợ lực lái quay vòng thông qua ECU 6 điều khiển ECU 6 tiếp nhận dữ liệu từ các cảm biến momen xoắn đặt tại trục lái, và cảm biến tốc độ xe đặt tại bánh xe cầu sau và đưa tín hiệu đầu ra cho động cơ điện hoạt động trợ lực lái lên trục lái