Phân tích hệ thống lái trên ô tô

Nó có tácdụng là dùng để thay đổi hướng chuyển động nhờ quay các bánh xe dẫn hướngcũng như để giữ hướng chuyển động thẳng hoặc cong của ôtô khi cần thiết.Trong quá trình chuyển động hệ t

Lời mở đầu

Trong vài thập kỷ gần đây, nền công nghiệp ôtô đã có những bước phát triểnlớn lao Chẳng hạn hệ thống điều khiển động cơ đã áp dụng công nghệ GDI (gasoline direct injection ) nhằm làm giảm tối đa tiêu hao nhiên liệu Phần gầm củaôtô ngày nay được trang bị một số hệ thống như: hệ thống phanh chống hãmcứng (ABS) hay hệ thống chống trượt (ARS), hộp số tự động nhiều cấp… Do

đó, hệ thống lái cũng được cải tiến nhằm làm cho chiếc ô tô ngày càng hoànthiện hơn

Do có nhiều cải tiến để đáp ứng yêu cầu của khách hàng và độ an toàn nên hệ

thống lái trên ô tô ngày càng phức tạp vì vậy, đề tài “Phân tích hệ thống lái

trên ô tô” có ý nghĩa quan trọng trong việc hướng dẫn các sinh viên tìm hiểu về

nguyên lý để từ đó làm cơ sở để tìm ra các hư hỏng để sửa chữa

Trong quá trình thực hiện đề tài này do thời gian và kiến thức có hạn nên còn

có nhiều hạn chế và thiếu sót Em rất mong được sự đóng ý kiến của thầy và cácbạn để nội dung đề tài của chúng em được hoàn thiện hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy

Hệ thống lái trên ô tô

I chức năng, yêu cầu, Phân loại

Tiểu Luận: Cấu Tạo Ô Tô

1

a) Chức năng.

Hệ thống lái là hệ thống điều khiển hướng chuyển động của xe Nó có tácdụng là dùng để thay đổi hướng chuyển động nhờ quay các bánh xe dẫn hướngcũng như để giữ hướng chuyển động thẳng hoặc cong của ôtô khi cần thiết.Trong quá trình chuyển động hệ thống lái có ảnh hưởng lớn đến sự an toànchuyển động nhất là ở tốc độ cao do đó hệ thống lái không ngừng được hoànthiện

b) Yêu cầu.

Tính linh hoạt tốt: Khi xe quay vòng trên đường gấp khúc và hẹp thì hệ

thống lái phải xoay được bánh trước chắc chắn, dễ dàng và êm

Lực lái thích hợp: Để lái dễ dàng hơn và thuận lợi trên đường đi thì nên chế

tạo hệ thống lái nhẹ hơn ở tốc độ thấp và nặng hơn ở các tốc độ cao

Phục hồi vị trí êm: Trong khi xe đổi hướng, lái xe phải giữ vô lăng chắc

chắn Sau khi đổi hướng, sự phục hồi – nghĩa là quay bánh xe trở lại vị trí chạythẳng – phải diễn ra êm khi lái xe thôi tác động lực lên vô lăng

Giảm thiểu truyền các chấn động từ mặt đường lên vô lăng: Không để

mất vô lăng hoặc truyền ngược chấn động khi xe chạy trên đường gồ ghề

c) Phân loại.

 Theo phương pháp chuyển hướng:

 Chuyển hướng hai bánh xe trên cầu trước

 Chuyển hướng tất cả các bánh xe (4WD)

 Theo đặc điểm truyền lực

 Hệ thống lái cơ khí

 Hệ thống lái cơ khí có trợ lực bằng thủy lực

 Theo kết cấu của cơ cấu lái

 Cơ cấu lái kiểu bánh răng, thanh răng

 Cơ cấu lái kiểu trục vít lõm, con lăn

 Cơ cấu lái kiểu trục vít êcu bi, thanh răng, bánh răng

 Theo cách bố trí vành tay lái

Tiểu Luận: Cấu Tạo Ô Tô

2

 Vành tay lái bên trái.

 Vành tay lái bên phải

II SƠ Đồ CấU TRúC Và HOạT động của các hệ thống láI tiêu biểu

2.1 Sơ đồ cấu chúc của hệ thống lái:

Hệ thống lái là hệ thống điều khiển hướng chuyển động của xe Nó có tác dụng là dùng để thay đổi hướng chuyển động nhờ quay các bánh xe dẫn hướng cũng như để giữ hướng chuyển động thẳng hoặc cong của ôtô khi cần thiết Trong quá trình chuyển động hệ thống lái có ảnh hưởng lớn đến sự an toàn chuyển động nhất là ở tốc độ cao do đó hệ thống lái không ngừng được hoàn thiện

Cấu tạo của hệ thống lái miêu tả (hình 2.1) và bao gồm các bộ phận chính sau

đây: vành lái, trục lái, cơ cấu lái, các đòn dẫn động lái, bánh xe dẫn hướng

2.2 Hoạt động của hệ thống lái:

Vành lái nhận lực từ cánh tay người điều khiển để tạo ra chuyển động quay vòng của nó và truyền mômen xoắn tới trục lái

Trục lái bao gồm trục lái chính truyền chuyển động quay của vô lăng tới cơ cấu lái và ống đỡ trục lái để cố định trục lái chính vào thân xe Đầu phía trên của trục lái chính được làm thon và xẻ hình răng cưa và vô lăng được xiết vào trục lái bằng một đai ốc

Tại cơ cấu lái nhận mômen từ trục lái và thay đổi tỷ số truyền cơ cấu lái để đưa tới các thanh dẫn động lái

Tiểu Luận: Cấu Tạo Ô Tô

3

1 Vành lái

2 Trục lái

3 Đòn quay

4 Hộp cơ cấu lái

5 Đòn kéo dọc

6 Đòn ngang liên kết 7.Đòn dẫn bánh xe

8 Đòn ngang bên

9 Trục bánh xe.

Hình 2.1 Sơ đồ cấu tạo hệ thống lái

Thanh dẫn động lái là sự kết hợp giữa các thanh nối và tay đòn để truyềnchuyển động của cơ cấu lái tới các bánh xe trái và phải.

III CáC GóC ĐặT BáNH XE DẫN HƯớng

3.1 Khái quát chung:

Việc bố trí bánh xe dẫn hướng liên quan trực tiếp tới điều khiển, tính ổn địnhchuyển động Các yêu cầu chính của việc bố trí là điều khiển hướng chuyểnđộng nhẹ nhàng, chính xác, đảm bảo ổn định khi chạy thẳng cũng như khi quayvòng kể cả khi có sự cố của hệ thống khác Đối với ô tô con các yêu cầu nàycàng nâng cao vì tốc độ chuyển động không ngừng tăng lên Trên cầu dẫnhướng, các bánh xe được bố trí và quan tâm thích đáng, ở các bánh xe khôngdẫn hướng cũng được để ý, song bị giới hạn giá thành chế tạo và sự phức tạpcủa kết cấu nên cách bố trí vẫn tuân thủ các điều kiện truyền thống

số trên, xe phải ở trạng thái không

tải và đặt thẳng hướng chuyển động

- Lái không ổn định.

- Trả lái trên đường vòng kém

- Giảm tuổi thọ của lốp

3.2 Góc nghiêng ngang của bánh xe (Góc camber).

Góc nghiêng ngang của bánh xe (góc camber) là góc xác định trên mặt phẳngngang của xe, được tạo thành bởi hình chiều mặt phẳng đối xứng dọc của lốp xe

và phương thẳng đứng

Khi phần trên của bánh

xe nghiêng ra phía ngoài

gọi là góc “ camber dương”,

ngược lại khi bánh xe

nghiêng vào trong cho ta

với mặt đường nhằm ngăn

ngừa hiện tượng mòn không

đều vì phần tâm lốp cao hơn phần dìa đường

Trong các kiểu xe hiện đại hệ thống treo và trục có độ bền cao hơn trước, mặtđường lại bằng phẳng lên bánh xe không cần nghiêng dương nhiều như trướcnữa Vì vậy góc camber giảm xuống gần đến “không”( một số xe băng không).Trên thực tế bánh xe có camber âm đang được áp dụng phổ biến để tăng tínhnăng chạy đường vòng của xe

a) Camber âm.

Khi tải trọng thẳng đứng tác dụng lên một bánh xe nghiêng sẽ sinh ra một lựctheo phương nằm ngang Lực này gọi là lực đẩy ngang nó tác động theo chiềuvào trong khi bánh xe có camber âm, và theo chiều ngược lại khi xe có camberdương

Tiểu Luận: Cấu Tạo Ô Tô

5

Hình 3.2 Góc camber

Khi xe chạy trên đường vòng vì, vì xe có xu hướng nghiêng ra phía ngoài lêncamber của lốp xe trở lên dương hơn, lực đẩy ngang về phía trong cùng giảmxuống và lực quay vòng cũng giảm xuống Góc camber âm của bánh xe giữ cho

xe không bị nghiêng dương khi chạy vào đường vòng và duy trì lực quay vòngthích hợp

- Ngăn ngừa tuột bánh xe khỏi trục

Tiểu Luận: Cấu Tạo Ô Tô

6

Hình 3.3 Camber âm

Phía trong Phía ngoài Phía ngoài

Hình 3.4 ảnh hưởng của góc camber âm

Hình 3.5 Góc camber

dương Hình 3.6 Góc camber

dương

- Ngăn ngừa pháp sinh camber âm ngoài ý muốn do tải trọng: giữ cho phíatrên của xe không bị nghiêng về phía trong do sự biến dạng của các bộ phận của

hệ thống treo và bạc lót gây ra bởi trọng lượng của hàng hoá và hành khách

- Giảm lực đánh lái

c) Camber bằng không.

- Lý do chính để có camber bằng không là nó giúp

cho lôp xe mòn đều Lốp xe có camber âm hoặc

dương sẽ làm cho bán kính quay vòng ở phía trong và

phía ngoài khác nhau làm cho lốp xe mòn không đều

và camber bằng không khắc phục được điều này

3.3 Góc nghiêng dọc của trụ đứng ( góc caster và

khoảng caster)

Góc caster là góc nghiêng về phía trước hoặc phía sau của trụ xoay đứng,được xác định bằng góc nghiêng giữa trục xoay đứng và đường thẳng đứng khinhìn từ cạnh xe

Khi trục xoay đứng nghiêng về phía sau gọi là

“ caster dương”, ngược lại khi trục xoay đứng

nghiêng về phía trước gọi là “caster âm”

Khoảng cách từ giao điểm giữa đường tâm

trục xoay đứng và mặt đường đến tâm điểm tiếp

xúc giữa lốp xe với mặt đường được gọi là

“khoảng caster”

Góc caster có ảnh hưởng đến độ ổn định khi

xe chạy trên đường thẳng và khoảng caster ảnh

hưởng đến tính năng hồi vị bánh xe khi xe chạy

trên đường vòng

3.4 Góc nghiêng ngang của trụ đứng (góc

kingpin).

Trục mà trên đó bánh xe có thể xoay về phía phải

hoặc phía trái được gọi là ‘trục xoay đứng” Trục

này được xác định bằng cách vạch một đường

thẳng tưởng tượng đi qua tâm của ổ bi đỡ trên của

Tiểu Luận: Cấu Tạo Ô Tô

7

Hình 3.7 Camber bằng không

Hình 3.8 Góc Caster

Hình 3.9 Góc kingpin

bộ giảm chấn và khớp cầu của đòn treo dưới Nhìn từ phía trước xe, đườngthẳng này nghiêng về phía trong, góc nghiêng này được gọi là góc nghiêng trụclái-góc kingpin và được đo bằng độ.

Khoảng cách L từ giao điểm trục xoay đứng và mặt đường đến giao điểmgiữa đường tâm bánh xe và mặt đường gọi là độ lệch kingpin

 Vai trò của góc kingpin.

- Giảm lực đánh lái

Vì các bánh xe quay sang phải hoặc sang trái

với tâm quay là trục xoay đứng còn bán kính quay

là khoảng lệch, nên khoảng lệch càng lớn thì

mômen cản quay càng lớn vì vậy lực lái cũng

tăng lên Do vậy có thể giảm khoảng lệch để giảm

lực lái

Có thể áp dụng hai phương pháp để giảm khoảng

lệch

- Giảm lực phản hồi và lực kéo lệch sang một bên

Nếu khoảng lệch quá lớn, lực dẫn động hoặc lực hãm sẽ tạo ra một mômenquay quanh trục xoay đứng tỉ lệ với khoảng lệch Mặt khác, mọi tác động lênbánh xe sẽ làm cho bánh xe bị dật lại hoặc phản hồi Những hiện tượng này cóthể được cải thiện bằng cách giảm khoảng lệch Nếu góc nghiêng của trục bêntrái và bên phải khác nhau thì xe sẽ bị kéo lệch về bên có góc nghiêng nhỏ hơn(có khoảng lệch lớn hơn)

Tiểu Luận: Cấu Tạo Ô Tô

8

Hình 3.10 Giảm lực đánh lái

Hình 3.11 Giảm lực phản hồi

Tăng độ ổn định chạy trên đường thẳng.

Góc nghiêng của trục lái giúp cho bánh xe tự đông quay trở lại vị trí đườngthẳng sau khi đã chạy vòng

hai bên do có camber dương

Tuy nhiên trong những năm gần

đây do áp dụng camber âm và do

hiệu quả của hệ thống treo và lốp

tăng lên nên nhu cầu khử bỏ lực

đẩy ngang không con nữa Do

vậy, mục đích của góc chụm đã

chuyển thành đảm bảo độ ổn

định chạy trên đường thẳng

3.6 Bán kính quay vòng (góc bánh xe, góc quay vòng).

Bán kính quay vòng góc quay của bánh xe phía trước bên trái và bên phải khichạy trên đường vòng Với góc quay của bánh xe bên phải và bên trái khácnhau, phù hợp với tâm quay của cả bốn bánh xe thì độ ổn định của xe chạy trênđường vòng sẽ tăng lên

Nều bán kính quay không đúng, lốp xe bên trong hoặc ngoài sẽ bị trượt vềmột bên và không thể quay xe một cách nhẹ nhàng Điều này cũng làm cho lốp

xe mòn không đều

Tiểu Luận: Cấu Tạo Ô Tô

9

Hình 3.12 Độ chụm

iV DẫN động lái

Dẫn động lái các bánh xe dẫn hướng được gọi là “dẫn động lái” Dẫn động lái

là sự kết hợp giữa các thanh nối và tay đòn để truyền chuyển động của cơ cấu láitới các bánh xe dẫn hướng Thanh dẫn động lái phải truyền chính xác chuyểnđộng của vô lăng lên các bánh trước khi chúng chuyển động lên xuống trong khi

xe chạy Có nhiều loại thanh dẫn động lái và kết cấu khớp nối được thiết kế đểthực hiện yêu cầu này

4.1 Quan hệ hình học của Ackerman.

Quan hệ hình học của Ackerman là biểu thị quan hệ góc quay của các bánh xedẫn hướng quanh trục trụ đứng, với giả thiết tâm quay vòng của xe nằm trênđường kéo dài của tâm trục cầu sau

Để thỏa mãn điều kiện không bị trượt bánh xe sau thì tâm quay vòng phải

nằm trên đường kéo dài của tâm cầu sau, mặt khác các bánh xe dẫn hướng phải

Tiểu Luận: Cấu Tạo Ô Tô

10

Hình 4.1 Quan hệ hình học của Ackerman

L

B g

gα cot β =

cot

quay theo các góc α (đối với bánh xe ngoài); β (đối với bánh xe trong) Quan

hệ hình học được xác định theo biểu thức:

Trong đó:

- B: Khoảng cách của hai đường tâm trụ đứng trong mặt phẳng đi qua tâmtrục bánh xe và song song với mặt đường

- L: Chiều dài cơ sở của xe

Để đảm bảo điều kiện này, trên xe sử dụng cơ cấu bốn khâu có tên là hìnhthang lái Đantô Cơ cấu bốn khâu đặt trên cầu trước có dầm cầu liền có hai dạng

như trên (hình5.1) Cấu tạo của chúng bao gồm: dầm cầu cứng đóng vai trò một

khâu cố định, hai đòn bên dẫn động các bánh xe, đòn ngang liên kết hai đòn bênbằng khớp cầu (rôtuyn) Các đòn bên quay xung quanh đường tâm trụ đứng Khi

đòn ngang liên kết nằm sau dầm cầu, phương pháp bố trí như (hình 5.2a) Khi đòn ngang liên kết nằm trước dầm cầu, cấu trúc như (hình 5.2b).

Trên hệ thống treo độc lập, số lượng đòn và khớp tăng lên nhằm đảm bảo các

bánh xe dịch chuyển độc lập Số lượng đòn tăng lên tùy thuộc vào kết cấu của

cơ cấu lái, vị trí bố trí cơ cấu lái, không gian cho phép bố trí đòn, khớp, độcứng vững của kết cấu… nhưng vẫn đảm bảo quan hệ hình học của Akerman,tức là gần đúng với cơ cấu Đantô

Tiểu Luận: Cấu Tạo Ô Tô

11

Hình 4.2 Cơ cấu 4 khâu có dầm cầu liền

Đòn ngang liên kết nằm sau dầm cầu Đòn ngang liên kết nằm trước dầm cầu

Hai dạng điển hình của dẫn động lái ở trên hệ thống treo độc lập trên (hình

5.3a, hình 5.3b).

4.2 Dẫn động lái ở hệ thống treo độc lập với cơ cấu lái dạng đòn quay.

Dẫn động lái của các xe sử dụng cơ cấu lái có đầu trục bị động quay cùng cácdạng cơ bản sau đây:

Trường hợp a: Cơ cấu lái đặt sau trục cầu trước và nằm trên vỏ hoặc khung

xe, đòn quay của cơ cấu dẫn động đòn 1 quay, đòn 1,2 tạo nên chuyển động tịnhtiến cho đòn 4 Các đòn 3 có thể điều chỉnh chiều dài đòn để tạo điều kiện điềuchỉnh độ chụm bánh xe dẫn hướng, vì vậy các đòn 3 phải có chiều dài như nhau

Trường hợp b: Có cấu lái đặt trước trục cầu trước, đòn 4 cũng là đòn liên kết

và cùng với đòn 3 đều đặt sau trục cầu trước

Trường hợp c: Cơ cấu lái đặt trước, các đòn ngang đặt trước trục cầu xe.

Tiểu Luận: Cấu Tạo Ô Tô

12

Hình 4.4 Các dạng bố trí đòn dẫn động lái với cơ cấu lái dạng đòn quay

1 Đòn quay chính 2 Đòn quay phụ

3 Đòn ngang bên có cơ cấu điều chỉnh chiều dài 4 Đòn ngang liên kết

Hình 4.3 Cơ cấu đòn ngang nối liên kết trên hệ thống treo độc lập

Đòn ngang nối nằm sau dầm cầu Đòn ngang nối nằm trước dầm cầu

Trường hợp d:Cơ cấu lái đặt sau, các đòn ngang 3, 4 đặt trước Đây là loại

xe có 4 bánh chủ động

4.3 Dẫn động lái ở hệ thống treo độc lập với cơ cấu lái dạng bánh răng, thanh răng.

Trường hợp a: Cơ cấu lái và đòn dẫn động lái đặt sau trục cầu trước Vai trò

của thanh răng chỉ đảm nhận chuyển động tịnh tiến, các đòn ngang bên dài, góclắc trong quá trình chuyển động theo phương thẳng đứng của bánh xe gây nên ởđòn ngang bên nhỏ vì vậy bánh xe bị lắc do góc tự điều khiển

Trường hợp b: Cơ cấu lái đặt trước trục cầu trước, đòn ngang liên kết là

thanh răng, đòn ngang bên nối từ thanh răng tới đòn bên dẫn động bánh xe Kếtcấu gọn, chiếm ít chỗ ở phần đầu xe Các đòn ngang bên có khả năng điều chỉnhchiều dài

Tiểu Luận: Cấu Tạo Ô Tô

13

Hình4.5 Bố trí dẫn động lái trên hệ thống treo độc lập

có cơ cấu lái thanh răng, bánh răng

1 Bánh răng chủ động 2 Thanh răng

3 ổ trượt 4 Đòn bên dẫn động bánh xe

5 Đòn ngang bên có cơ cấu điều chỉnh

Hình 4.6 Các dạng khớp cầu của đòn dẫn động lái bôi trơn vĩnh cửu.

a Bạc kim loại b Bạc nhựa c Bạc cao su

Trường hợp c: Đòn ngang bên và đòn ngang đặt trước cầu xe Bạc trượt 3

đặt cố định trên vỏ cơ cấu lái gắn với vỏ xe

Trường hợp d: Thanh răng và cơ cấu lái đặt sau, đòn dẫn động bánh xe đặt

Trước đây chỉ dùng loại khớp cầu bôi trơn thường xuyên ở khớp này có vú

mỡ để thường xuyên bơm mỡ bôi trơn

Ngày nay khớp loại này chỉ dùng cho xe tải, xe dùng trong điều kiện địa hìnhxấu ( nhiều bụi, đất, nước…)

Các loại khớp cầu dùng cho xe con ngày nay là loại không cần phải bảodưỡng Có thể coi loại khớp này được bôi trơn vĩnh cửu Chúng ta có thể gặploại khớp cầu bạc kim loại, bạc nhựa hoặc bạc cao su

Khớp cầu có bạc kim loại dùng trên các loại xe thể thao vì yêu cầu độ bềncao, việc cách âm cho hệ thống không phải là yêu cầu chính

Khớp cầu có bạc nhựa liền khối, có độ biến dạng rất nhỏ và chịu ma sát tốt,giá thành không cao Loại này gặp hầu hết ở các xe con hiện nay

Tiểu Luận: Cấu Tạo Ô Tô

14