Theo đó hệ thống lái cần đảm bảo các yêu cầu sau: -Đảm bảo tính năng vận hành cao của ôtô có nghĩa là khả năng quay vòng nhanh và ngặt trong một thời gian rất ngắn trên một diện tích rấ
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LÁI
Nhiệm vụ - Yêu cầu - Phân loại hệ thống lái
Hệ thống lái là hệ thống điều khiển hướng chuyển động của xe Bởi vậy chức năng của hệ thống lái là giữ nguyên hay thay đổi hướng chuyển động của xe theo ý muốn người điều khiển
Một trong các hệ thống quyết định đến tính an toàn và ổn định chuyển động của ôtô là hệ thống lái Theo đó hệ thống lái cần đảm bảo các yêu cầu sau:
-Đảm bảo tính năng vận hành cao của ôtô có nghĩa là khả năng quay vòng nhanh và ngặt trong một thời gian rất ngắn trên một diện tích rất bé
-Lực tác động lên vành lái nhẹ, vành lái nằm ở vị trí tiện lợi đối với người lái
-Đảm bảo được động học quay vòng đúng để các bánh xe không bị trượt lết khi quay vòng
-Hệ thống trợ lực phải có tính chất tuỳ động đảm bảo phối hợp chặt chẽ giữa sự tác động của hệ thống lái và sự quay vòng của bánh xe dẫn hướng
-Tránh va đập truyền ngược từ bánh xe lên vành lái
-Cơ cấu lái phải được đặt ở phần được treo để kết cấu hệ thống treo trước không ảnh hưởng đến động học cơ cấu lái
-Giữ chuyển động thẳng ổn định
-Hệ thống lái phải bố trí thụân tiện trong việc bảo dưỡng và sửa chữa
- Theo cách bố trí vành lái
+ Hệ thống lái với bố trí bên trái
+ Hệ thống lái với bố trí bên phải
-Theo số lượng cầu dẫn hướng
+Hệ thống lái với các bánh dẫn hướng ở cầu trước
+Hệ thống lái với các bánh dẫn hướng ở cầu sau
+Hệ thống lái với các bánh dẫn hướng ở tất cả các cầu
-Theo kết cấu của cơ cấu lái
+Cơ cấu lái loại trục vít - bánh vít
+Cơ cấu lái loại trục vít - cung răng
+Cơ cấu lái loại trục vít - con lăn
+Cơ cấu lái loại trục vít chốt quay
+ Cơ cấu lái loại liên hợp (trục vít, êcu, cung răng)
+ Cơ cấu lái loại bánh răng trụ - thanh răng
-Theo đặc điểm truyền lực
+ Hệ thống lái cơ khí
+ Hệ thống lái cơ khí có trợ lực (thủy lực, khí nén, điện).
Kết cấu các hệ thống lái thường gặp trên ô tô
1.2.1 Hệ thống lái không có trợ lực a, Công dụng và sự cần thiết của hệ thống trợ lực lái
- Trợ lực của hệ thống lái có tác dụng giảm nhẹ cường độ lao động của người lái Trên xe có tốc độ cao, trợ lực lái còn nâng cao tính an toàn chuyển động khi xe có sự cố ở bánh xe và giảm va đập truyền từ bánh xe lên vành tay lái Ngoài ra để cải thiện tính êm dịu chuyển động, phần lớn các xe hiện đại đều dùng lốp bản rộng, áp suất thấp để tăng diện tích tiếp xúc01 với mặt đường Kết quả là cần một lực lái lớn hơn Vì vậy để giữ cho hệ thống lái nhanh nhạy trong khi chỉ cần lực lái nhỏ, phải có một vài loại thiết bị trợ giúp hệ thống lái gọi là trợ lực lái b, Phân loại hệ thống trợ lực lái
- Dựa vào kết cấu và nguyên lý của van phân phối
+ Hệ thống lái trợ lực kiểu van trụ tịnh tiến
+ Hệ thống lái trợ lực kiểu van cánh
- Dựa vào vị trí của van phân phối và xi lanh lực
+ Hệ thống lái trợ lực kiểu van phân phối, xy lanh lực đặt chung trong cơ cấu lái
+ Hệ thống lái trợ lực kiểu van phân phối, xy lanh lực đặt riêng
+ Hệ thống lái trợ lực kiểu van phân phối, xy lanh lực lực đặt thành cụm riêng, cơ cấu lái nằm riêng
+ Hệ thống lái trợ lực kiểu van phân phối, xy lanh lực, cơ cấu lái riêng biệt
- Hiện nay dạng bố trí thông dụng nhất trên hệ thống lái của xe là van phân phối, xy lanh lực và cơ cấu lái đặt chung Còn nguồn năng lượng là một bơm cánh gạt được dẫn động từ động cơ của xe nhờ dây đai c, Nguyên lý trợ lực lái
- Trợ lực lái là một thiết bị thuỷ lực sử dụng công suất của động cơ để giảm nhẹ lực lái Động cơ dẫn động bơm tạo ra dầu cao áp tác dụng lên piston nằm trong xy lanh lực Piston trợ giúp cho việc chuyển động của thanh răng Mức độ trợ giúp phụ thuộc vào độ lớn của áp suất dầu tác dụng lên piston Vì vậy nếu cần trợ lực lớn hơn thì phải tăng áp suất dầu
- Vị trí trung gian (khi xe chuyển động thẳng)
+ Dầu từ bơm được đẩy lên van điều khiển Nếu van ở vị trí trung gian, tất cả dầu sẽ chảy qua van vào cửa xả và hồi về bơm Vì áp suất dầu bên trái và bên phải piston là như nhau nên piston không chuyển động về hướng nào
Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lí trợ lực lái ở vị trí trung gian
+ Khi trục lái chính quay theo bất kỳ hướng nào, giả sử quay sang phải thì van điều khiển cung di chuyển làm đóng một phần cửa dầu, còn cửa kia mở rộng hơn Vì vậy làm thay đổi lượng dầu vào các cửa, cùng lúc đó áp suất dầu được tạo ra Như vậy tạo ra sự chênh lệch áp suất giữa hai khoang trái và phải của piston Sự chênh lệch áp suất đó làm piston dịch chuyển về phía có áp suất thấp, dầu bên áp suất thấp sẽ được đẩy qua van điều khiển về bơm
Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý trợ lực lái khi quay vòng 1.2.2 Hệ thống lái có trợ lực thủy lực
Hình 1.3: Hệ thống lái trợ lực thủy lực 1.Bình chứa 2.Bơm trợ lực lái 3.Van điều khiển
4.Hộp cơ cấu lái 5.Xi lanh trợ lái
Các bộ phận chính của hệ thống lái có trợ lực gồm: bơm, van điều khiển, xilanh trợ lực, hộp cơ cấu lái (bót lái) Hệ thống lái sử dụng công suất động cơ để dẫn động cho bơm trợ lực tạo ra áp suất Khi xoay vô lăng sẽ chuyển mạch một đường dẫn dầu tại van điều khiển Nhờ áp suất dầu này mà píttông trong xilanh trợ lực được đẩy đi và làm quay bánh xe dẫn hướng
Do vậy, nhờ áp suất dầu thuỷ lực mà lực đánh lái vô lăng sẽ giảm đi và không phải quay tay lái quá nhiều Do yêu cầu của hệ thống phải tuyệt đối kín nên bạn cần định kỳ kiểm tra sự rò rỉ dầu để đảm bảo rằng hệ thống lái làm việc hiệu quả và an toàn
* Các chi tiết chính của hệ thống
Hầu hết sử dụng loại bơm cánh gạt để làm bơm trợ lực vì loại này có ưu điểm kết cấu đơn giản, gọn nhẹ, phù hợp với hệ thống thuỷ lực yêu cầu áp suất không lớn
Bơm được dẫn động nhờ trục khuỷu của động cơ qua puly lắp ở đầu bơm để đưa dầu nén vào hộp cơ cầu lái Lưu lượng của bơm tỷ lệ với tốc độ động cơ nhưng nhờ van điều chỉnh lưu lượng đưa dầu thừa trở lại đầu hút của động cơ mà dầu vào hộp cơ cấu không đổi, ổn định được lực đánh lái Những loại bơm dẫn động nhờ trục khuỷu thường làm tăng phụ tải của động cơ dó đó hao tốn nhiên liệu
Hình 1.4: Bơm trợ lực lái
Chính vì vậy, các nhà sản xuất đã chế tạo loại trợ lái thuỷ lực – điện EHPS (electro-hydraulic power steering) sử dụng mô tơ điện để tạo áp suất thuỷ lực, giảm lực cần thiết để điều khiển vô lăng, tiết kiệm nhiên liệu do giảm phụ tải động cơ Một ECU kiểm soát tốc độ quay mô tơ (lượng xả của bơm) theo các thông số như tốc độ xe và góc quay của vô lăng nhờ đó hệ thống hoạt động hiệu quả hơn
Trục bơm quay dẫn động cho rô to quay trong stato bơm (hay còn gọi là vòng cam) được gắn chắc với vỏ bơm Trên rô to có các rãnh để gắn các cánh bơm Do chu vi vòng ngoài của rô to hình tròn nhưng mặt trong của vòng cam hình ô van nên tồn tại một khe hở giữa rô to và vòng cam
Cánh bơm sẽ ngăn cách khe hở này để tạo thành các buồng chứa dầu Cánh bơm bị giữ sát vào bề mặt trong của vòng cam bằng lực ly tâm và áp suất dầu tác động sau cánh bơm nên hình thành một phớt dầu ngăn rò rỉ áp suất giữa cánh gạt và vòng cam khi bơm tạo áp suất dầu Khi rô to quay thì dung tích buồng dầu tăng giảm liên tục Hay nói cách khác, dung tích của buồng dầu tăng tại cổng hút, do vậy dầu từ bình chứa sẽ được hút vào buồng dầu từ cổng hút Ở cổng xả áp suất giảm do trước đó dầu được hút vào buồng này và bị ép qua cổng xả Chu kỳ hút xả diễn ra trong mỗi vòng quay của trục rô to Do có 02 cổng hút và 02 cổng xả nên dầu sẽ hút và xả 02 lần trong trong một chu kỳ quay của rô to
Hình 1.5: Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của van xoay
1.Van quay 2.Trục van điều khiển 3.Lỗ X
7.Từ bơm vào buồng xy lanh 8.Từ bình xy lanh vào buồng chứa
Chuyển động quay của trục van điều khiển kiểu van quay tạo nên một giới hạn trong mạch thuỷ lực Khi vô lăng quay sang phải áp suất bị hạn chế tại các lỗ X và Y Khi vô lăng quay sang trái trục van điều khiển tạo giới hạn tại X' và Y' Khi vô lăng xoay thì trục lái quay, làm xoay trục vít qua thanh xoắn Ngược lại với trục vít, vì thanh xoắn xoắn tỷ lệ với lực bề mặt đường, trục van điều khiển chỉ quay theo mức độ xoắn và chuyển động sang trái hoặc sang phải
Do vậy tạo các lỗ X và Y (hoặc X' và Y') và tạo sự chênh lệch áp suất thuỷ lực giữa các buồng xi lanh trái và phải Bằng cách này, tốc độ quay của trục van điều khiển trực tiếp làm thay đổi đường đi của dầu và điều chỉnh áp suất dầu Dầu từ bơm trợ lực lái sẽ vào vòng ngoài của van quay và dầu chảy về bình chứa qua khoảng giữa thanh xoắn và trục van điều khiển
Khi xe quay vòng sang trái, thân van trong xoay sang trái mở đường dầu đi từ bơm tới vào khoang I của xylanh và mở đường dầu ở khoang II thông với đường dầu hồi về bình chứa, làm cho thanh răng dịch về bên trái đẩy bánh xe quay sang trái, thực hiện quay vòng sang trái
tính cấp thiết của đề tài
Tính cấp thiết của đề tài tính toán thiết kế hệ thống lái trên xe Toyota Innova có thể được đánh giá qua các khía cạnh sau:
- Hệ thống lái là một trong những thành phần quan trọng nhất của xe, ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng kiểm soát và điều khiển xe
- Đảm bảo hệ thống lái hoạt động hiệu quả và chính xác giúp giảm thiểu nguy cơ tai nạn, bảo vệ tính mạng của người lái và hành khách
+Đáp ứng các tiêu chuẩn và quy định:
- Các tiêu chuẩn an toàn giao thông và quy định kỹ thuật ô tô ngày càng nghiêm ngặt hơn Thiết kế hệ thống lái phải tuân thủ các tiêu chuẩn này để xe được phép lưu thông
- Đáp ứng yêu cầu của các tổ chức kiểm định quốc tế và trong nước, đảm bảo chất lượng và an toàn
+Hiệu suất và độ tin cậy:
-Một hệ thống lái được thiết kế tốt sẽ đảm bảo hiệu suất lái cao, độ tin cậy lâu dài và khả năng đáp ứng nhanh chóng
- Tính toán và thiết kế hệ thống lái cần tính đến các yếu tố như trọng lượng xe, tốc độ tối đa, và các điều kiện vận hành khác nhau để đảm bảo hiệu quả lái tối ưu
+Nâng cao trải nghiệm người dùng:
- Hệ thống lái tốt cải thiện trải nghiệm lái xe, mang lại cảm giác an toàn và thoải mái cho người lái
-Đảm bảo sự linh hoạt và dễ dàng khi điều khiển xe, đặc biệt trong các tình huống khẩn cấp
+Cạnh tranh trên thị trường:
-Trong ngành công nghiệp ô tô, an toàn và hiệu suất lái là những yếu tố quyết định sự thành công của một mẫu xe Một hệ thống lái tốt sẽ tăng giá trị cạnh tranh của Toyota Innova trên thị trường
-Đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của khách hàng về an toàn và khả năng điều khiển xe
+Phát triển công nghệ mới:
-Nghiên cứu và thiết kế hệ thống lái mới giúp áp dụng các công nghệ tiên tiến, nâng cao hiệu suất và an toàn của xe
-Đóng góp vào sự phát triển của ngành công nghiệp ô tô và khuyến khích sự đổi mới
+Tiết kiệm chi phí bảo trì và sửa chữa:
-Một hệ thống lái được thiết kế tốt sẽ giảm thiểu hỏng hóc và chi phí bảo trì, sửa chữa, từ đó tiết kiệm chi phí cho người sử dụng
Việc nghiên cứu và thiết kế hệ thống lái cho xe Toyota Innova là một đề tài có tính cấp thiết cao, không chỉ đảm bảo an toàn giao thông mà còn nâng cao hiệu suất, độ tin cậy, và giá trị cạnh tranh của xe trên thị trường.
Mục tiêu, nội dung, phương pháp nghiên cứu
- Tính toán thiết kế hệ thống lái xe innova 2016
+ Nội dung vấn đề nghiên cứu:
- Hệ thống lái trên xe oto innova 2016
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với kế thừa các tài liệu
-Nêu được nhiệm vụ, yêu cầu, phân loại của hệ thống lái
-Nêu được các hệ thống lái thường gặp trên ô tô
PHÂN TÍCH LỰA CHỌN THIẾT KẾ
Giới thiệu xe tham khảo - ô tô Innova 2016
2.1.1 Sơ đồ tổng thể xe Innova 2016
Bảng 2.1: Bảng thông số kỹ thuật cơ bản xe innova 2016
STT Thống số Giá trị
2 Chiều dài cơ sở (mm) 2750
3 Chiều rộng cơ sở (trước và sau) 1540 -1540
4 Trọng lượng bản thân (KG) 1700
5 Trọng lượng toàn bộ (KG) 2330
6 Tốc độ cực đại (km/h) 200
7 Động cơ 4 xilanh thẳng hàng, 16 van, cam kép với VVT-i
8 Công suất cực đại(KW) 102
STT Thống số Giá trị
11 Tỷ số truyền của hộp số Số 1: 4,12; lùi: 4,12
12 Tỉ số truyền của truyền lực chính 4,53
14 Ly hợp Lò xo màng, dẫn động thuỷ lực có trợ lực chân không
Ta chọn phiên bản Innova 2.0G có:
-Chiều dài toàn bộ La:4735 mm
-Chiều rộng toàn bộ ba :1830 mm
-Chiều cao toàn bộ ha :1790 mm
-Khoảng cách giữa hai trục quay đứng: B0= 1540/1540 mm
-Chiều dài cơ sở: L= 2750 mm
-Chiều rộng cơ sở: B= 1790 mm
-Trọng lượng toàn tải: GT= 21300 N
Innova là một dòng xe phân khúc trung xe đa dụng của Toyota Innova là dòng xe luôn nằm trong mẫu xe bán chạy nhất qua các năm Bởi những ưu biêt mà nó mang nại cho người dùng Với khả năng vận hành tốt, thiết kế thanh lich đầy phong cách, nội thất sang trọng đầy tiện nghi cùng hệ thống an toàn đầy chuẩn mực Toyota không chỉ chinh phục n hững khách hàng khó tính mà còn khiến cho đối thủ của các dòng xe kiêng dè và ghen tị
Toyota Innova 2016 thế hệ mới có kích thước tổng quan 4.735 x 1.830 x 1.795mm, chiều dài cơ sở 2.750mm Kích thước này đồng nghĩa với việc thế hệ hoàn toàn mới của Innova sẽ dài hơn bản hiện tại 180mm, rộng hơn 60mm, cao hơn 45mm và giữ nguyên trục cơ sở Xe được trang bị động cơ xăng VVT-i 2.0L, công suất 102 kw tại 5.600 vòng/phút, mô-men xoắn cực đại 183 Nm tại 4.000 vòng/phút, đi kèm hệ thống truyền lực của xe ở dạng nhiều cấp hộp số sàn
5 cấp hoặc hoặc hộp số tự động 6 cấp Trong đó ly hợp lắp trên xe là ly hợp ma sát khô 1 đĩa, dẫn động bằng thủy lực Hộp số lắp trên xe là là loại hộp số cơ khí có 5 cấp số tiến và 1 cấp số lùi Lốp bản G, V là 205/60 R17 còn lốp bản Q cao cấp nhất là 215/65 R17 với lưới tản nhiệt thiết kế hai thanh ngang mạ chrome chạy ngang mới Hệ thống treo trước tay đòn kép, lò xo cuộn và thanh cân bằng, treo sau dạng liên kết 4 điểm, lò xo cuộn, tay đòn bên Hệ thống phanh: phanh trước là phanh đĩa thông gió, phanh sau là tang chống
Các trang bị ngoại thất: Đèn pha projector LED, bản G và V sử dụng mâm hợp kim 16inch còn bản Q dùng mâm hợp kim 17inch, đèn hậu LED hình boomerang, 6 màu ngoại thất
Giống như ngoại thất, nội thất của Innova 2016 cũng được cải tiến mạnh mẽ Đó là sự bổ sung của màn hình cảm ứng 7inch, hỗ trợ điều khiển bằng giọng nói và kết nối Bluetooth Toàn bộ các bản của Innova 2016 đều được trang bị hệ thống chống trộm, cảnh báo khi cửa chưa đóng chặt, cảm biến lùi phía sau, chống bó cứng phanh ABS, phân phối phanh điện tử EBD, túi khí kép phía trước và túi khí đầu gối Bản Q còn có túi khí cạnh bên, hai hệ thống cân bằng điện tử VSC và hỗ trợ khởi hành ngang dốc HAC
2.1.2 Hệ thống lái xe innova 2016
Hệ thống lái của ôtô Innova 2016 hệ thống lái có trợ lực Cấu tạo của hệ thống lái bao gồm: vành tay lái, trục lái, các đăng truyền động, cơ cấu lái, bộ trợ lực và dẫn động lái
Hệ thống lái điện trợ lực (EPS) giúp lái xe nhẹ nhàng hơn và tiết kiệm năng lượng hơn so với hệ thống lái cơ truyền thống Trợ lực lái điện tử (EPAS) cung cấp sự ổn định và phản hồi tốt hơn khi lái xe ở tốc độ cao và trong các điều kiện đường xấu
Tay lái có thể điều chỉnh theo 4 hướng: gật gù và xa-gần đến vị trí thích hợp làm tăng sự thoải mái cho người lái
Cơ cấu lái là loại bánh răng-thanh răng Loại này có kết cấu nhỏ gọn, tỷ số truyền nhỏ, độ nhạy cao, chế tạo đơn giản và hiệu suất cao
Vành trong vô lăng bằng thép; Vành ngoài vô lăng bằng nhựa - da
- Có chức năng tiếp nhận mômen quay từ người lái rồi truyền cho trục lái
- Mô men tạo ra trên vành lái là tích số của lực người lái trên vành tay lái với bán kính của vành lái
Vành tay lái ô tô Innova 2016 có dạng hình tròn, có nan hoa được bố trí xung quanh vành trong của vành tay lái Bán kính ngoài của vành tay lái là 195 mm
Vành lái của bất kỳ loại ôtô nào cũng có độ dơ nhất định, với xe con không được vượt quá 8
Vành tay lái còn là nơi bố trí một số bộ phận khác của ô tô như: nút điều khiển còi, túi khí an toàn
Túi khí an toàn có hình dáng tương tự cây nấm được làm bằng nylon phủ neoprene, được xếp lại và đặt trong phần giữa của vành tay lái Khi xe đâm thẳng vào một xe khác hoặc vật thể cứng, túi khí sẽ phồng lên trong khoảnh khắc để hình thành một chiếc đệm mềm giữa lái xe và vành tay lái.Túi khí an toàn chỉ được sử dụng một lần Sau khi hoạt động túi khí phải được thay mới
Hình 2.3: Kết cấu trục lái
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 lái có nhiệm vụ truyền mômen lái xuống cơ cấu lái Trục lái gồm có trục lái chính có thể chuyển động truyền chuyển động quay của vô lăng xuống cơ cấu lái và ống truc lái để cố định trục lái vào thân xe Trục lái 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 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 Ngoài cơ cấu hấp thụ va đập ở trục lái chính còn có thể có thêm một số cơ cấu điều khiển như : cơ cấu khoá lái để khoá cứng trục lái, cơ cấu nghiêng trục lái để có thể điều chỉnh vị trí vô lăng theo phương thẳng đứng phù hợp với người lái, hệ thống trượt trục lái để có thể điều chỉnh được chiều dài của trục lái và đạt được vị trí ngồi lái tốt nhất cho người lái
Hình 2.4: Hình van phân phối chiều xoay
Phân tích lựa chọn phương án thiết kế
2.2.1 Phương án lựa chọn 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
Nhận chuyển động từ cơ cấu lái tới các bánh xe dẫn hướng Đảm bảo quay vòng của các bánh xe dẫn hướng sao cho không xảy ra hiện tượng trượt bên lớn ở tất cả các bánh xe, đồng thời tạo liên kết giữa các bánh xe dẫn hướng
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 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 đến 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 Để đảm bảo điều kiện lái, trên xe sử dụng cơ cấu hình thang lái 4 khâu gọi là hình thang lái Đantô Hình thang lái Đantô chỉ áp dụng gần đúng điều kiện trên, song do kết cấu đơn giản nên được dùng rất phổ biến
- 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 bánh xe Nhưng kiểu dẫn động này chỉ dùng trên xe có cơ cấu lái với hệ thống treo phụ thuộc (lắp với dầm cầu dẫn hướng) Do đó chỉ áp dụng trên các xe tải và những xe có hệ thống treo phụ thuộc, còn trên các xe du lịch hiện nay với hệ thống treo độc lập thì không sử dụng được
Hình 2.5: Dẫn động lái bốn khâu
- Dẫn động lái sáu khâu
Dẫn động lái sáu khâu được lắp đặt trên hầu hết 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 dàng lắp đặt cơ cấu lái, giảm được không gian làm việc, bố trí cường hóa lái thuận tiện ngaytrên dẫn động lái, hiện nay dẫn động lái sáu khâu được sử dụng rộng rãi trên các xe du lịch của các hãng như: Toyota, Nissan, KIA, Hyundai
Hình 2.6: Dẫn động lái sáu khâu
Với đề tài tính toán thiết kế hệ thống lái cho xe innova 2016, sử dụng hệ thống treo độc lập do đó em chọn phương án dẫn động lái sáu khâu
2.2.2 Phương án lựa chọn cơ cấu lái
Cơ cấu lái thường dùng trên ô tô:
A Cơ cấu trục vít - cung răng
Loại này có ưu điểm là kết cấu đơn giản, làm việc bền vững Tuy vậy có nhược điểm là hiệu suất thấp, điều chỉnh khe hở ăn khớp phức tạp nếu bố trí cung răng ở mặt phẳng đi qua trục trục vít
Cung răng có thể là cung răng thường đặt ở mặt phẳng đi qua trục trục vít (hình 2.7) Cung răng đặt bên có ưu điểm là đường tiếp xúc giữa răng cung răng và răng trục vít khi trục vít quay dịch chuyển trên toàn bộ chiều dài răng của cung răng nên ứng suất tiếp xúc và mức độ mài mòn giảm, do đó tuổi thọ và khả năng tải tăng Cơ cấu lái loại này thích hợp cho các xe tải cỡ lớn Trục vít có thể có dạng trụ tròn hay lõm Khi trục vít có dạng lõm thì số răng ăn khớp tăng nên giảm được ứng suất tiếp xúc và mài mòn
Ngoài ra còn cho phép tăng góc quay của cung răng mà không cần tăng chiều dài của trục vít
Hình 2.7: Cơ cấu trục vít - cung răng 1- Ổ bi; 2- Trục vít; 3- Cung răng; 4-Vỏ
Tỷ số truyền cơ cấu lái trục vít - cung răng không đổi và xác định theo công thức: 2 0 t i R
R0 - Bán kính vòng lăn của cung răng; t - Bước trục vít;
Zt - Số mối ren trục vít
Góc nâng của đường ren vít thường từ 8 ÷ 120 Khe hở ăn khớp khi quay đòn quay đứng từ vị trí trung gian đến các vị trí biên thay đổi từ 0,03 ÷ 0,05 mm
Sự thay đổi khe hở này được đảm bảo nhờ mặt sinh trục vít và vòng tròn cơ sở của cung răng có bán kính khác nhau
B Cơ cấu trục vít - con lăn
Loại cơ cấu lái này được sử dụng rộng rãi nhất Cơ cấu lái gồm trục vít glôbôit 1 ăn khớp với con lăn 2 (có ba tầng 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
Hình 2.8: Cơ cấu lái trục vít - con lăn
C Cơ cấu trục vít - chốt quay
- Cơ cấu lái loại này gồm hai loại: + Cơ cấu lái trục vít và một chốt quay + Cơ cấu lái trục vít và hai chốt quay
Hình 2.9: Cơ cấu lái trục vít - chốt quay 1- chốt quay; 2- Trục vít; 3- Đòn quay
D Cơ cấu liên hợp Êcu 20 lắp lên trục vít qua các viên bi nằm theo rãnh ren của trục vít cho phép thay đổi ma sát trượt thành ma sát lăn Phần dưới của êcu bi có cắt các răng tạo thành thanh răng ăn khớp với cung răng trên trục (2)
Trục vít được đỡ bằng ổ bi đỡ chặn, trục vít quanh tâm và êcu bi ôm ngoài trục vít thông qua các viên bi ăn khớp tạo nên bộ chuyền trục vít -êcu bên ngoài êcucó các răng dạng thanh răng, trục bị động mang theo cung răng ăn khớp với thanh răng tạo thành bộ truyền thanh răng bánh răng trục vít đóng vai trò chủ động và cung răng đóng vai trò bị động
Hình 2.10: Cơ cấu lái liên hợp trục vít - êcu bi - thanh răng - cung rang
1- Đai ốc hãm đòn quay đứng; 2- Trục tròn quay đứng; 3- Vòng chặn dầu; 4, 6- Ổ bi kim; 5- Vỏ cơ cấu lái; 7- Tấm đệm; 8- Đai ốc điều chỉnh; 9- Vít điều chỉnh ăn khớp; 10- Đai ốc hãm; 11- Vòng làm kín; 12- Mặt bích bên cơ cấu lái; 13- Đai ốc tháo dầu; 14- Vòng làm kín; 15- Chốt định vị; 16- Tấm chặn; 17- Đai ốc điều chỉnh độ rơ của ổ bi; 18- Nắp dưới cơ cấu lái;19 - Ổ đỡ chặn; 20- Êcu; 21- Ống dẫn hướng bi; 22- Bi;23- Vít đậy lỗ rót dầu; 24- Ổ đỡ chặn; 25- Vòng chặn dầu; 26- Then bán nguyệt; 27- Cung răng
Tỷ số truyền động học của cơ cấu lái loại này không đổi và xác định theo công thức:
𝑅 2 - Bán kính chia cung răng; t - Bước răng trục vít
- Hiệu suất cao: hiệu suất thuận t = 0,7 - 0,85, hiệu suất nghịch n = 0,85;
- Khi sử dụng với cường hoá thì nhựơc điểm hiệu suất nghịch lớn không quan trọng;
- Có độ bền cao vì vậy thường được sử dụng trên các xe cỡ lớn
E Cơ cấu bánh răng – thanh răng
Hình 2.11: Cơ cấu lái bánh răng – thanh răng
Lỗ ren; 2- Bánh răng; 3- Thanh răng; 4- Bulông hãm;5- Đai ốc điều chỉnh khe hở bánh răng thanh răng; 6- Lò xo;7- Dẫn hướng thanh răng
Bánh răng có thể răng thẳng hay răng nghiêng Thanh răng trượt trong các ống dẩn hướng Để đảm bảo ăn khớp không khe hở, bánh răng được ép đến thanh răng bằng lò xo Ưu điểm:
- Có tỷ số truyền nhỏ, iω nhỏ dẫn đến độ nhạy cao Vì vậy được sử dụng rộng rãi trên các xe du lịch, thể thao;
- Cơ cấu bánh răng – thanh răng có cấu trúc đơn giản, dễ sản xuất và bảo trì, đồng thời cung cấp độ chính xác cao trong điều khiển
- Hệ thống này cung cấp phản hồi trực tiếp từ bánh xe đến vô lăng, giúp người lái cảm nhận được mặt đường và điều kiện lái tốt hơn
- Tỷ số truyền của cơ cấu bánh răng – thanh răng có thể được điều chỉnh để tối ưu hóa cho các loại xe và điều kiện lái khác nhau
- Kết cấu gọn, đơn giản, dễ chế tạo
- Hệ thống bánh răng – thanh răng thường không thích hợp cho các xe có công suất lớn hoặc yêu cầu lực lái lớn do dễ bị mài mòn và hỏng hóc
- Cần bảo dưỡng định kỳ để đảm bảo hiệu suất hoạt động, như bôi trơn và kiểm tra độ mòn của bánh răng và thanh răng
- Tăng va đập từ mặt đường lên vô lăng
Dựa vào đặc điểm kết cấu và ưu nhược điểm của từng loại cơ cấu lái đã giới thiệu ở trên, em lựa chọn phương án thiết kế hệ thống lái với cơ cấu lái đơn giản là cơ cấu bánh răng – thanh răng, với cơ cấu này thanh răng được lấy luôn là 1 khâu của hình thang lái Đồng thời ta có thể bố trí thêm trợ lực lái nếu muốn có được tỉ số truyền thay đổi Mặc dù có một số hạn chế về công suất và cần bảo dưỡng định kỳ, nhưng với thiết kế đơn giản và hiệu quả
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG LÁI XE INNOVA 2016
Xác định mômen quay vòng của bánh xe dẫn hướng
Mômen cản quay vòng có giá trị lớn nhất khi quay vòng ô tô tại chỗ Mô men cản quay vòng trong trường hợp này bao gồm: mômen sinh ra do lực cản lăn M1, mômen cản của các phản lực ngang ở vết tiếp xúc M2 và mômen ổn định các bánh xe dẫn hướng M3, tức là đối với một bánh xe dẫn hướng:
Gbx- Trọng lượng tác dụng lên một bánh xe dẫn hướng;
G1 - Trọng lượng phân bố lên cầu trước G1 = 13860 [N]
Thế vào (3.3) ta được: Gbx = 0,5.13860= 6930 [N]
A- Cánh tay đòn có thể xác định a theo công thức gần đúng:
Rbx - bán kính làm việc của bánh xe
R0 - là bán kính thiết kế của bánh xe
B 5 (mm) d- Đường kính vành bánh xe d (inch)
Rbx=0,95.395,575,7 [mm] Α- góc doãng của bánh xe; α = 2 0 Β - góc nghiêng của trục chuyển hướng; β = 8 0
C- Khoảng cách giữa hai tâm trụ quay đứng; C = 1,36 [m]
Thế các giá trị trên vào (3.4) ta được:
X- Độ dịch về phía sau của điểm đặt lực ngang tổng hợp so với tâm diện tích tiếp xúc giữa lốp với mặt đường do sự đàn hồi bên của lốp gây ra (hình 3.1)
Hình 3.1: Sơ đồ xác định mô men cản quay vòng gây ra do lực ngang
Hình 3.2: Sơ đồ bánh xe đàn hồi lăn khi có và không có lực ngang tác dụng a- Không có lực ngang; b- Có lực ngang; c- Phân bố phản lực ngang ở vết tiếp xúc
Trên hình 3.2 Là sơ đồ mô tả sự lăn của bánh xe đàn hồi khi không có và khi có lực ngang tác dụng Do độ đàn hồi bên của lốp mà khi bánh xe đàn hồi lăn dưới tác dụng của lực ngang nó sẽ lăn lệch và vết tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường sẽ quay tương đối đối với mặt phẳng bánh xe (hình 3.2b) Biến dạng ngang của lốp tăng dần từ phía trước ra phía sau vết tiếp xúc làm cho điểm đặt lực ngang tổng hợp Y dịch về phía sau so với tâm một lượng x (hình 3.2c)
Một cách gần đúng có thể thừa nhận 𝑥 = 1 4 𝑙 𝑘 ; ở đây lk- chiều dài vết tiếp xúc, tức là: 𝑥 ≈ 0,5 √𝑟 2 − 𝑟 𝑏𝑥 2 =0,5.r0.√1 − 0.95 2 = 0,156125.r0
Thành phần mô men cản quay M3 khi tính toán có thể bỏ qua (do giá trị của nó khá nhỏ so với các mô men thành phần khác) hoặc tính đến bằng một hệ số nào đó
Như vậy, nếu cho rằng trên cầu trước có hai bánh xe dẫn hướng và quy dẫn mô men cản quay của chúng về trục của đòn quay đứng thì ta được mô men cản quay tổng:
dđ- Hiệu suất của dẫn động lái; dđ= 0,98
Idd - Tỷ số truyền của dẫn động lái; idd = 1,0
KM3- Hệ số tính đến ảnh hưởng của mô men ổn định các bánh xe dẫn hướng M3; Khi tính toán có thể lấy KM3 =1,07-1,15 Chọn KM3 = 1,15
Xác định lực tác dụng lên vô lăng
Lực cần thiết tác dụng lên vô lăng được xác định theo công thức sau:
R- Bán kính vô lăng; R = 0,25 [m] i𝜔– Tỷ số truyền động học của cơ cấu lái; i𝜔 = 20 Ηt- Hiệu suất thuận cơ cấu lái; ηt = 0,8 ÷ 0,9
Giá trị Plvmax 8,79 N nhỏ hơn giá trị [ Plmax] = 200 N thỏa mãn điều kiện trên.
Tính toán kiểm nghiệm bền dẫn động lái
3.3.1 Xác định momen cản quay vòng tại chỗ
Khi ô tô quay vòng tại chỗ sẽ sinh ra mômen cản tổng M∑ gồm: mômen cản lăn, mômen cản do phản lực ngang và mômen ổn định từ bánh xe dẫn hướng tạo ra quy dẫn về trục của trụ quay đứng
𝑀 𝛴 lớn nhất khi ta đánh vô lăng về bên trái hoặc bên phải hết cỡ; nghĩa là khi ta đánh vô lăng về bên trái (hoặc bên phải) 1,8 vòng thì bánh xe dẫn hướng bên trái (hoặc bên phải) quay tương ứng một góc 40 0 khi đó mômen cản quay vòng 𝑀 𝛴 là lớn nhất
3.3.1.1 Tính bền đòn quay đứng
Thực tế trên ô tô innova 2016 các đòn quay đứng, thanh kéo bên và thanh kéo ngang được bố trí trong không gian không đồng phẳng nhưng các mặt phẳng chứa các thanh đó lệch nhau theo phương ngang (phương song song với mặt đường) một góc rất nhỏ Do đó ta có thể xét các thanh trên chuyển động trong cùng một mặt phẳng song song với mặt đường
Hình 3.3: Sơ đồ biểu diễn lực trên đòn quay đứng
Xét thanh AB cân bằng:
Tính phản lực liên kết:
Dùng mặt cắt 1-1 tách thanh AB làm hai phần, xét sự cân bằng bên phải thanh
Thông thường đòn quay đứng của hệ thống lái trên ô tô thường làm bằng thép C35
Vì không có số liệu cụ thể nên ta tạm thời lấy cơ tính của thép C35 để kiểm nghiệm độ bền của đòn quay đứng
Tra sổ tay cơ khí, thép C35 có ứng suất uốn cho phép [𝜎] u = 2600 [KG/cm 2 ] Ứng suất lớn nhất tại mặt cắt ngang có mômen uốn lớn nhất:
3.3.1.2 Tính bền thanh kéo bên
Xét thanh BC cân bằng
Trường hợp thanh BC chịu nén:
Hình 3.5: Thanh BC chịu lực
Dùng mặt cắt 1-1 và xét phần bên trái
Thông thường thanh kéo bên của hệ thống lái trên ô tô thường làm bằng thép C35
Vì không có số liệu cụ thể nên ta tạm thời lấy cơ tính của thép C35 để kiểm nghiệm độ bền của thanh kéo bên
Tra sổ tay cơ khí, thép C35 có ứng suất nén cho phép [𝜎] = 2100 [KG/cm 2 ] Ứng suất nén trên mặt cắt ngang:
Trường hợp thanh BC chịu kéo ta tính tương tự
Vậy thanh BC đủ bền
3.3.2 Tính toán kiểm nghiệm dẫn động lái khi ô tô phanh với cường độ cao
Xét sự ảnh hưởng của mômen phanh đến dẫn động lái trong trường hợp ô tô phanh gấp với cường độ phanh cao (vô lăng ở vị trí ô tô đi thẳng)
- Xét trường hợp ô tô chuyển động thẳng trên đường nằm ngang:
Trọng lượng phân bố lên một bánh xe dẫn hướng khi phanh:
Gbx- trọng lượng tác dụng lên một bánh xe dẫn hướng;
Kd- hệ số phân bố tải trọng động
Lực phanh lớn nhất được xác định theo biểu thức:
Trong đó: Ω- hệ số bám; ω = 0,85
Z- phản lực pháp tuyến của đường tác dụng lên bánh xe dẫn hướng
Mômen phanh quy dẫn về trục của trụ quay đứng:
Lv: khoảng cách từ tâm vết bánh xe tới trục trụ quay đứng
- Xét trường hợp ô tô chuyển động thẳng khi xuống dốc:
Lực phanh lớn nhất được xác định theo biểu thức:
Trong đó: Α- độ dốc của đường chọn độ dốc của đường là 20%
Mômen phanh quy dẫn về trục của trụ quay đứng:
Ta nhận thấy Mp và M’p đều nhỏ hơn M∑ = 709,979 [N.m] nên ta không cần tính bền trên các đòn quay đứng, thanh kéo bên trong trường hợp khi phanh.
Tính toán kiểm tra hình thang lái
Khi ta tính toán kiểm tra động học hình thang lái, người ta xác định quan hệ thực tế của các góc quay các bánh dẫn hướng đối với một ôtô cụ thể và so sánh nó với quan hệ lý thuyết (không kể đến độ biến dạng của lốp)
Muốn cho ôtô quay vòng không bị trượt thì điều kiện cần và đủ là các bánh xe phải cùng quay một tâm quay O Với ôtô hai cầu (cầu trước dẫn hướng) tâm quay O nằm ngoài ôtô như trên hình 3.6 và liên hệ với nhau theo biểu thức:
𝐶𝑜𝑡𝑔𝛽 − 𝐶𝑜𝑡𝑔𝛼 = 𝑚 𝐿 (3.9) Trong đó: Α- Góc quay của bánh dẫn hướng phía trong;
- Góc quay của bánh dẫn hướng phía ngoài;
M = 1370mm - Khoảng cách giữa hai tâm trụ quay đứng (khi thiết kế bỏ qua các góc nghiêng, coi trụ quay là thẳng đứng);
L = 2750mm - Chiều dài cơ sở của xe
Hình 3.6: Động học quay vòng lý tưởng và thực tế khi dùng hình thang lái
A- Động học quay vòng lý tưởng, b- động học quay vòng thực tế
M - Khoảng cách giữa hai tâm trụ quay đứng (bỏ qua các góc nghiêng của trụ quay);
L - Chiều dài cơ sở; α, - Các góc quay của bánh dẫn hướng phía trong và phía ngoài;
Muốn đảm bảo chính xác hoàn toàn quan hệ trên giữa và , thì phải dùng một cơ cấu rất phức tạp, cồng kềnh tới 18 khâu Trong thực tế, có thể dùng một số cơ cấu đơn giản hơn, đảm bảo được gần đúng quan hệ trên như: đĩa hình sao elíp, truyền động culít, truyền động xích và cơ cấu hình thang với các khớp nối
Ba cơ cấu đầu không được dùng vì phức tạp và làm việc không ổn định Hiện nay dùng phổ biến nhất là cơ cấu hình thang gọi là hình thang lái Đan Tô Phương trình (3.9) chưa kể đến độ biến dạng bên của các bánh xe Để khi ôtô quay vòng với các bán kính quay vòng khác nhau mà quan hệ giữa và vẫn giữ được như công thức (3.10) thì dạng hình thang lái Đantôphải hoàn toàn xác định Hình thang lái Đantô không thể hoàn toàn thoả mãn quan hệ trong công thức (3.9) nhưng có thể chọn một quan hệ cơ cấu hình thang lái cho ta sai lệch với quan hệ lý thuyết một ít
Nhiệm vụ cơ bản khi thiết kế và kiểm nghiệm hình thang lái Đantô là xác định đúng góc nghiêng của các đòn quay bên khi ôtô chạy trên đường thẳng Xác định kích thước của hình thang lái gồm có xác định góc , chiều dài l và n của các đòn bên và đòn ngang
Hình 3.7: Sơ đồ hình thang lái và đồ thị biểu diễn quan hệ x=f(m/L)
1; 2 và 3 – Tương ứng với y = 0,12; 0,14 và 0,16
Từ sơ đồ trên ta tìm được quan hệ hình học giữa , và
Trong thực tế phương pháp đặt hình thang lái theo góc không thuận tiện lắm vì khó đo chính xác nên để tiện lợi hơn người ta cho độ dài của giao điểm hai cánh tay đòn kéo dài đến cầu trước (đoạn xl)
Sử dụng phương trình (3.11) và đồ thị (Hình 3.7) có thể xác định các giá trị của θ
Các thông số đã biết:
+ Khoảng cách giửa 2 tâm trụ đứng: m 70 [mm] = 1,37[m]
+ Chiều dài cơ sở của xe: L = 2750 [mm] = 2,750 [m]
+ Chiều dài đòn bên hình thang lái: 𝑙 = ( 0,14-0,16).m [mm]
+1= Góc tạo bởi đòn bên hình thang lái và phương ngang
+ Độ dài thanh kéo ngang n = m-2.𝑙.cos1 = 979 (mm)
Cho góc quay của bánh dẫn hướng phía trong α = 1 0 ÷ 40 0
+ Xác định góc quay lý thuyết βlt của bánh dẫn hướng phía ngoài theo công thức β lt = arctg[ 1 mL + 1 tgα
+ Xác định góc quay thực tế βtt của bánh dẫn hướng phía ngoài (hình 3.7) theo công thức (3.10) trên
+ Sai số tương đối giữa góc quay thực tế so với góc quay lý thuyết của bánh dẫn hướng phía ngoài:
Lập bảng tính ta được:
Bảng 3.2 Bảng giá trị các góc quay của các bánh xe dẫn hướng
𝜶 tag𝜶 𝜷 LT (𝜽 𝟏 + 𝜶) cos(𝜽 𝟏 + 𝜶) sin(𝜽 𝟏 + 𝜶) 𝜷 TT 𝜺(%)
𝜶 tag𝜶 𝜷 LT (𝜽 𝟏 + 𝜶) cos(𝜽 𝟏 + 𝜶) sin(𝜽 𝟏 + 𝜶) 𝜷 TT 𝜺(%)
Hình 3.8: Đồ thị biểu diễn quan hệ góc quay các bánh xe dẫn hướng
Từ bảng 3.2 ta thấy sai số tương đối giữa góc quay thực tế so với góc quay lý thuyết luôn nhỏ hơn 5% Vậy ta kết luận hình thang lái của ô tô Đồ thị biểu diễn quan hệ góc quay các bánh xe dẫn hướng
Bêta [độ] βtt[độ] [y=0.16] βlt[độ]
INNVA 2016 có chất lượng tốt, nghĩa là các bánh xe dẫn hướng ít bị trượt khi quay vòng.
Thiết kế cơ cấu lái
3.5.1 Xác định bán kính vòng lăn của bánh răng Để xác định được bán kính vòng lăn của bánh răng ta có thể thực hiện theo các phương pháp sau:
+ Chọn trước đường kính vòng lăn của bánh răng từ đó tính ra vòng quay của bánh răng có phù hợp không Có nghĩa là ứng với số vòng quay (n) nào đó thì thanh răng phải dịch chuyển được một đoạn X1 = 101 (mm)
+ 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 bánh răng - thanh răng thì số vòng quay của vành lái thì cũng là số vòng quay của bánh răng
Dựa vào xe tham khảo, chọn số vòng quay về 1 phía của vành lái ứng với bánh xe quay là n = 1,5 vòng
3.5.2 Xác định các thông số của bánh răng:
Tính số răng theo tài liệu chi tiết máy
Dc: Đường kính vòng chia: Dc = 2R = 2.10,7 = 21,4 (mm) mn: Môdun pháp tuyến của bánh răng, chọn theo tiêu chuẩn mn = 2.5
: Góc nghiêng ngang của bánh răng, chọn sơ bộ góc nghiêng = 12 0
Từ công thức (3.15) ta suy ra số răng của bánh răng:
Tính chính xác lại góc nghiêng, ta có:
Môdun ngang của bánh răng:
Như vậy Zmin = 14 >8 do vậy có hiện tượng cắt chân răng nên phải dịch chỉnh, ta chọn kiểu dịch chỉnh đều = 0
Xác định hệ số dịch chỉnh br theo công thức :
Từ đó ta tính được các thông số của bộ truyền bánh răng:
Dd = Dc+2mn(1+ ) = 21,4 +2.2,5(1+ 0,429) = 28,545mm chọn = 28 mm
+ Đường kính đỉnh chân răng:
- Góc ăn khớp của bánh răng được chọn theo chi tiết máy = 20 0
- Đường kính cơ sở của bánh răng:
- Chiều dày của răng trên vòng chia:
3.5.3 Xác định kích thước và thông số của thanh răng:
-Đường kính của thang răng được cắt tại mặt cắt nguy hiểm nhất
𝜏 𝑥 Ứng suất tiếp xúc cho phép tại mặt cắt nguy hiểm
𝑀 𝑥 Là momen xoắn gây nên nguy hiểm ở răng bằng momen cản quay vòng từ bánh xe
- Chiều dài đoạn làm việc của răng: L = 202 mm
- Chiều cao răng thanh răng: h =2,5.m =2,5.2,5 = 6,25 mm
- Số răng cần thiết trên thanh răng để xe quay vòng mà không bị chạm:
- Khoảng cách giữa 2 răng liên tiếp: y = L/Z= 202/26 = 7,77
- β: Góc nghiêng của răng ( hợp với phương ngang )
Vậy góc nghiêng của răng 𝛽 = 90 0 -75 0 = 15 0
3.5.4 Tính bền cơ cấu lái thanh răng–bánh răng: Đối với loại truyền động trục 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:
Lực hướng tâm tác dụng lên trục răng theo công thức:
𝑐𝑜𝑠 15 ∘ = 1078 (N) 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 XH được tôi cải thiện
HB = 260 290 Ứng suất cho phép: Ứng suất tiếp xúc cho phép:
Giới hạn bền mỏi tiếp xúc của trục răng:
𝜎 𝐻𝐿𝑖𝑚 = 2[𝜎 𝑏 ] + 70 = 2.260 + 70 = 590𝑀𝑃𝑎 Ứng suất tiếp xúc cho phép của trục răng:
SH: Là hệ số an toàn; lấy SH = 1,1
ZR: Hệ số xét ảnh hưởng của độ nhám; ZR = 0,95
ZV: Hệ số xét ảnh hưởng của vận tốc vòng; ZV = 1,1
KXH: Hệ số xét ảnh hưởng của kích thước trục răng; KXH = 1
KF: Hệ số xét ảnh hưởng của độ độ bôi trơn; KF = 1
Thay các thông số vào công thức (3.17) ta được:
Giới hạn bền mỏi uốn của trục răng:
[𝜎 𝐹𝐿𝑖𝑚 ] = 𝜎 𝐹 𝑜 𝐾 𝐹𝐿 𝐾 𝐹𝐶 ( 3.18) Chọn KFL = 1; Với bộ truyền quay hai chiều ta chọn KFC = 0.7
[𝜎 𝐹𝐿𝑖𝑚 ] = 1.0,7.360 = 327𝑀𝑃𝑎 Ứng suất uốn cho phép:
SF: Là hệ số an toàn; lấy SF = 1 ,7
YS: Là hệ số xét tới ảnh hưởng của mô đun với m = 2,5;
Kiểm nghiệm độ bền uốn
Kiểm nghiệm răng về độ bền tiếp xúc:
ZM = 175 mpa (Đối với trục răng bằng thép)
𝛼 = √ 1,28 1 = 0,884 (là hệ số trùng khớp ngang, được tính theo công thức sau:
2.944,76.1.1,08 = 1,02 Thay các thông số vào công thức (2.29) ta được:
Vậy: 𝜎 𝐻 = 486.05𝑀𝑃𝑎 < [𝜎 𝐻 ] = 560.5𝑀𝑃𝑎 Do đó thoả mãn điêù kiện tiếp xúc
Kiểm nghiệm răng về độ bền uốn: Ứng suất uốn được tính theo công thức:
Với: YF1, YF2 là hệ số dạng răng
Theo đồ thị trên Hình (3.10) tài liệu chi tiết máy với hệ số dạng răng dịch chỉnh
= 0.647 và số răng tương đương
KF = 1,25 (Tra theo đồ thị 10 - 14 tài liệu chi tiết máy.)
KF: Tính theo công thức: 𝐾 𝐹𝛾 = 1 + 2𝑇𝐾 𝛾 𝐹 𝑏 𝜔 𝑑 𝜔
140 ∘ = 0.714 Thay các thông số vào công thức (3.21) ta được:
Vậy điều kiện được thoả mãn Bộ truyền trục răng - thanh răng đảm bảo đủ bền trong quá trình làm việc.
Thiết kế trợ lực lái
3.6.1 Xác định đường kính trong của xilanh lực Đường kính trong của xilanh lực xác định bằng công thức
𝐷 𝑥𝑙 : là đường kính trong xilanh
𝑃 𝑚𝑎𝑥 : áp xuất cực đại trong hệ thống cường hóa (𝑃 𝑚𝑎𝑥 < 300 kg/𝑐𝑚 2 ) với xe tham khảo lấy 𝑃 𝑚𝑎𝑥 = 120 kg/𝑐𝑚 2 d: đường kính cần đẩy piton chính là đường kính thanh răng d = 30 mm
𝑃𝑥 : Lực tác dụng lên đầu cần đẩy
𝑖 𝑐 ; Tỉ số truyền của cơ cấu lái 𝑖 𝑐 = 20
𝑛 0 : Hiệu xuất của cơ cấu lái 𝑛 0 = 0,9
3.6.2 Chọn đường kính ngoài xilanh
Chọn chiều dày thành xilanh là 8 mm thì đường kính ngoài xilanh
𝐷 𝑛 = 40 + 2.8 = 56 mm Ứng xuất tác dụng lên xilanh
2 + 4 2 5,6 2 − 4 2 120 +120 = 490 kg/ 𝑐𝑚 2 Vật liệu làm xilanh là thép 40 XH có [𝜎] = 571,4 kg/ 𝑐𝑚 2
Vậy 𝜎 < [𝜎] → xilanh thỏa mã điều kiện bề
3.6.3 Kiểm tra bền trục lái:
Hình 3.9: Kích thước trục lái
- Đường kính trong: dtl = 17 (mm)
- Đường kính ngoài: Dtl = 25 (mm)
Trục lái được làm bằng ống thép, vật liệu làm trục lái là thép 35, không nhiệt luyện, có ứng suất tiếp xúc cho phép: [x] = 50 80 mpa. Ứng suất xoắn do lực trên vành lái sinh ra:
Trong đó: Wx – là mômen chống xoắn của tiết diện tính toán
Thay số vào công thức ta có:
Kết luận: vậy trục lái đảm bảo độ bền
3.6.4 Kiểm tra bền Rô-tuyn:
Khoảng cách từ tâm cầu đến vị trí ngàm: en = 23 (mm)
Đường kính tại vị trí ngàm tính toán: dn = 18 (mm)
Đường kính cầu rôtuyn: Dc = 28 (mm)
Đường kính bề mặt tỳ với đệm rôtuyn: k = 16 (mm)
Vật liệu: Trụ cầu được chế tạo bằng thép xêmăngtít hoá 15HM, có nhiệt luyện bề mặt để tăng tính chống mòn, có:
Ứng suất chèn dập cho phép là: [𝜎 𝑐𝑑 ] = 35(𝑀𝑃𝑎)
Ứng suất uốn cho phép tại vị trí ngàm: [𝜎 𝑢 ] = 300(𝑀𝑃𝑎)
Ứng suất cắt cho phép tại vị trí ngàm: [𝜏] = 80(𝑀𝑃𝑎)
Khớp cầu được kiểm nghiệm theo ứng suất chèn dập tại vị trí làm việc và kiểm tra độ bền uốn và cắt tại vị trí ngàm
Lực tác dụng lên khớp cầu lớn nhất chính là lực cực đại tác dụng lên đòn kéo ngang: N = 7994,47 (N)
Sơ đồ lực tác dụng: xem hình 3.10
Hình 3.10: Lực tác dụng lên đầu Rô-tuyn
Kiểm tra ứng suất chèn dập tại bề mặt làm việc của khớp cầu:
Fc- diện tích tiếp xúc giữa mặt cầu và đệm rôtuyn
Trong thức tế làm việc, diện tích làm việc chiếm 2/3 bề mặt của khớp cầu, nên bề mặt chịu lực tiếp xúc chiếm 1/2.2/3=1/3 bề mặt khớp cầu
Dc - đường kính cầu rôtuyn, Dc = 28mm
Vậy chốt cầu thoả mãn điều kiện chèn dập tại bề mặt làm việc
Kiểm tra theo độ bền uốn:
Kiểm tra độ bền uốn của chốt cầu tại vị trí ngàm Ứng suất uốn tại vị trí ngàm:
𝑊 𝑢 Trong đó : Wu – mômen chống uốn của tiết diện tính toán, ta có :
Thay số vào ta có :
uc< [uc] chốt cầu đảm bảo độ bền uốn tại vị trí nguy hiểm nhất
Kiểm tra theo độ bền cắt:
Kiểm tra rô-tuyn tại vị trí ngàm Ứng suất cắt tại vị trí ngàm: 𝜏 𝑐 = 𝑁
c< [] khớp cầu thoả mãn điều kiện cắt tại tiết diện nguy hiểm nhất
Kết luận: Khớp cầu đủ bền trong quá trình làm việc.
Bảo dưỡng sữa chửa hệ thống lái xe
Việc bảo quản bảo dưỡng xe là việc làm thường xuyên liên tục của người lái xe và thợ sửa chữa, nhất là đối với người sử dụng xe đó Có bảo quản bảo dưỡng xe thường xuyên mới kịp thời phát hiện khắc phục những hư hỏng của xe đồng thời bảo đảm tốt các yêu cầu làm việc của các chi tiết, cụm chi tiết trên xe, đảm bảo cho xe có thể hoạt động luôn tốt trong mọi điều kiện đồng thời nâng cao tính năng kinh tế, khả năng đảm bảo an toàn cho người, hàng hóa, phương tiện Có sử dụng, bảo quản, bảo dưỡng tốt mới thực hiện giữ tốt dùng bền, an toàn, tiết kiệm
Tiến hành chăm sóc bảo quản, bảo dưỡng, sửa chữa các hệ thống trên xe đều phải tuân theo một qui trình công nghệ nhất định Hệ thống lái trên xe ôtô cũng là hệ thống đòi hỏi phải chăm sóc, bảo quản, bảo dưỡng thường xuyên và đúng yêu cầu kỹ thuật
Hệ thống lái phải đảm bảo cho ôtô chạy đúng hướng mong muốn, ở bất kỳ điều kiện đường xá nào và bất kỳ tốc độ nào của ôtô Người lái không phải mất nhiều công sức để điều khiển vành tay lái, khi xe chạy thẳng cũng như khi thao tác lái Trong quá trình vận hành sử dụng xe, các chi tiết của hệ thống lái thường xuyên làm việc Các chi tiết chịu ma sát sẽ bị mòn, dẫn đến rơ lỏng do đó làm sai lệch động học quay vòng, lốp sẽ bị mòn nhanh và có thể dẫn đến không an toàn trong chuyển động Vì vậy, phải thường xuyên theo dõi, kiểm tra nhằm kịp thời phát hiện, sửa chữa, điều chỉnh để phục hồi trạng thái kỹ thuật, điều kiện làm việc bình thường cho hệ thống lái, nhằm đảm bảo an toàn chuyển động cho xe
3.7.2 Bảo dưỡng, sửa chữa các hư hỏng của hệ thống lái
3.7.2.1 Quy trình tháo hệ thống lái
A) Tháo vành tay lái và trục lái
*Bước 1: Tháo các đầu cực của ăc quy ra để đảm bảo an toàn
*Bước 2: Tháo vành tay lái (hình 3.11)
Hình 3.11.: Tháo vành tay lái 1- Dụng cụ chuyên dùng; 2- Lấy dấu
Tháo nắp còi trên vành tay lái sau đó uốn thẳng các vấu đệm khóa rồi tháo đai ốc và đệm khóa vành tay lái, để việc lắp đặt vành tay lái và trục lái chính được chính xác thì trước khi tháo vành tay lái phải lấy dấu tại vị trí ghép trên trục lái chính và vành tay lái (2)
Sử dụng dụng cụ kéo vô lăng (1) kết hợp với búa để tháo vô lăng, trong quá trình tháo chú ý không để xảy ra va đập giữa đỉnh của trục lái chính với búa Sau đó ta tháo các tấm vỏ của trục lái
*Bước 3: Tháo bộ điều khiển đèn xi nhan và bộ điều khiển gạt nước (hình 3.12 và 3.13 )
Tháo kết nối giữa bộ điều khiển si nhan và trục lái bằng cách đẩy khoá trong hộp điều khiển (1), tháo đầu nối của dây điện với bộ điều khiển (2) rồi tháo bộ điều khiển ra khỏi trục lái Bằng các thao tác tương tự ta tháo bộ điều khiển gạt nước
Hình 3.12: Tháo bộ điều khiển si nhan 1- Khóa trên hộp điều khiển; 2- Đầu nối điện đèn si nhan
Hình 3.13: Tháo bộ điều khiển gạt nước 1- Khóa trên hộp điều khiển; 2- Đầu nối điện gạt nước
*Bước 4: Tháo bộ điều khiển đánh lửa (hình 3.14)
Hình 3.14: Tháo bộ điều khiển đánh lửa 1- Đầu nối điện điều khiển đánh lửa; 2- Vít
Trước tiên ta ngắt kết nối của bộ điều khiển với đầu nối điện (1), sau đó tháo vít (2) rồi tháo bộ điều khiển đánh lửa
*Bước 5: Tháo ổ khóa điện (hình 3.15)
Hình 3.15: Tháo ổ khóa điện 1- Khóa điều khiển; 2- Clê lỗ 6 cạnh loại 2,5mm
Vặn khoá khởi động quay về vị trí số I (1), tháo ổ khoá điện bằng cách ấn vào định vị lò xo bằng clê lỗ 6 cạnh loại 2,5 mm (2) hoặc công cụ thích hợp khác, và kéo ổ khoá ra khỏi ống hộp điều khiển
* Bước 6: Tháo hộp điều khiển (hình 3.16)
Tháo đầu nối điện của còi (1), tháo các vít giữ hộp điều khiển (2) rồi tháo hộp điều khiển
Hình 3.16: Tháo hộp điều khiển 1- Đầu nối điện còi; 2- vít;
* Bước 7: Tháo trục lái (hình 3.17 và 3.18) Đánh dấu vị trí lắp ráp giữa trục trung gian và trục lái chính (1), sau đó tháo bulông siết đầu trục trung gian với trục lái chính rồi tháo các đai ốc (3) của giá đỡ dưới bắt trục lái với vỏ xe Tiếp theo là tháo các đai ốc (4) của giá đỡ trên và tháo trục lái và trục trung gian
Hình 3.17: Tháo giá đỡ dưới của trục lái 1- Lấy dấu; 2- Bulông siết; 3- Đai ốc dưới; 4- Đai ốc trên
Hình 3.18: Tháo giá đỡ trên của trục lái
*Bước 8: Tháo trục lái chính từ ống trục lái (hình 3.19)
Hình 3.19: Tháo trục lái chính 1- Vòng hãm; 2,4- Long đen; 3- lò xo; 5- Bi định vị; 6- Tháo trục lái chính;
Sau khi tháo trục lái ra khỏi vỏ xe ta tháo trục lái chính từ ống trục lái Theo thứ tự ta tháo vòng hãm (1), long đen (2), lò xo (3), long đen (4), cuối cùng tháo bi định vị (5) và rút trục lái chính xuống
B) Tháo cơ cấu lái và hình thang lái
*Bước 1: Tháo hai bánh xe của cầu trước (cầu dẫn hướng), rồi tháo mối ghép giữa đầu trục bánh răng trụ răng xoắn với trục trung gian
*Bước 2: Tháo các liên kết của cụm cơ cấu lái (hình 3.20; 3.21; 3.22; 3.23)
Hình 3.20: Tháo khớp nối giữa đầu thanh lái và cam quay
1- Chốt hãm; 2- Đai ốc hoa; 3- Thiết bị tháo liên kết khớp cầu KM507-B
Ta tháo chốt hãm (1), tháo đai ốc hoa (2) rồi sử dụng KM507-B tách đầu thanh lái ra khỏi cam quay (hình 4.10)
Hình 3.21: Tháo bulong và giá giữ bộ cơ cấu lái
*Bước 3: Tháo bộ điều chỉnh ăn khớp bánh răng trụ răng xoắn và thanh răng (hình 4.12)
Hình 3.22: Bộ điều chỉnh ăn khớp bánh răng trụ răng xoắn và thanh răng
1- Đai ốc chỉnh; 2- Nêm chỉnh; 3- Lò xo chỉnh;
Tháo đai ốc chỉnh, nêm chỉnh, lò xo chỉnh và dẫn hướng thanh răng
*Bước 4: Tháo trục bánh răng trụ răng xoắn (hình 3.23;3.24; 3.25)
Hình 3.23: Tháo nắp che bụi, và vòng hãm
1- Nắp che bụi; 2- vòng hãm;
Tháo nắp che bụi (1), vòng hãm (2) (hình 4.15), nắp che dưới trục răng (3) và đai ốc khóa trục bánh răng trụ răng xoắn (4) (hình 4.16) Chú ý khi tháo đai ốc khóa cần giữ trục răng nếu không có thể làm hỏng răng của bánh răng trụ răng xoắn
Dùng búa đóng dột dẹt (5) để tháo trục bánh răng trụ răng xoắn, khi đóng cần giữ cho đột thẳng hàng với trục bánh răng Sau đó dùng búa cao su tháo ổ bi dưới rồi tháo lần lượt đệm kín (7), ổ bi trên (8), vòng hãm (9)
Hình 3.24: Tháo nắp che dưới và đai ốc khóa trục bánh răng trụ răng xoắn
3-Nắp che dưới; 4-đai ốc khóa;
Hình 3.25: Tháo trục bánh răng trụ răng xoắn
5, 6- Đột dẹt; 7- Đệm kín; 8- ổ bi trên; -Vòng hãm;
* Bước 5: Tháo thanh răng (hình 3.26)
Hình 3.26: Tháo thanh răng 1- Thanh răng; 2- Thanh kéo bên; 3- Đầu thanh lái
Trước tiên tháo ống cao su che bụi thanh răng, để cho dễ tháo thì trước khi tháo bôi một lớp mỡ lên thanh kéo bên Tiếp đó là tháo đầu thanh lái (3), nhưng trước khi tháo đầu thanh lái phải lấy dấu trên thanh kéo bên, đai ốc khóa đầu thanh lái và đầu thanh lái vị trí lắp ráp của chúng để sau này dễ dàng điều chỉnh độ chụm của xe, sau đó vặn đai ốc khoá ngược chiều kim đồng hồ, tháo đầu thanh nối rồi tháo đai ốc khóa Để tháo khớp cầu giữa thanh răng và thanh kéo bên thì kẹp thanh răng vào bàn kẹp (êtô), trước khi kẹp phủ lên thanh răng một tấm vải và không kẹp thanh răng vào bàn kẹp quá hai mặt răng tránh làm hư hỏng răng rồi dùng mỏ nếp để tháo
3.7.2.2 Quy trình lắp hệ thống lái
Quy trình lắp đặt ngược lại với quá trình tháo nhưng cần chú ý những điểm sau:
- Trước khi lắp đặt cần kiểm tra hư hỏng và sửa chữa hoặc thay thế nếu cần sau đó làm sạch tất cả các chi tiết và bôi trơn đầy đủ
- Đối với những mối ghép có ren cần chú ý đến momen siết phù hợp tránh làm hỏng mối ghép
- Quá trình lắp phải đảm bảo chính xác, sau khi lắp các chi tiết vận hành tốt và có độ tin cậy cao
3.7.2.3 Bảo dưỡng hệ thống lái
Thường xuyên kiểm tra siết chặt các bu lông, đai ốc ghép giữa các bộ phận của hệ thống lái với vỏ xe cũng như trong hệ thống lái và quan sát xem có sự rò rỉ dầu trợ lực lái sau mỗi lần xe vận hành
Kiểm tra hành trình tự do và lực cần thiết để làm quay hệ thống lái, độ bắt chặt vành lái trên trục Kiểm tra hành trình tự do vành tay lái bằng cách xoay vành tay lái về bên phải và bên trái đến khi bánh xe bắt đầu xoay đi, hành trình tự do cho phép là 0- 20 mm Nếu hành trình tự do vượt quá qui định cần kiểm tra, sửa chữa và điều chỉnh các bộ phận liên quan như các khớp các đăng trục lái chính hoặc trục trung gian, khe hở ăn khớp cơ cấu lái, các khớp cầu dẫn động lái
