Thiết kế tính toán hệ thống lái xe tải 3 tấn

MỤC LỤCCHƯƠNG I. TỔNG QUAN HỆ THỐNG LÁI31. Mô tả chung hệ thống lái51.1. Tổng quan51.2. Các trạng thái quay vòng của xe51.3. Phân loại hệ thống lái61.4. Yêu cầu của hệ thống lái ôtô.72. Các bộ phận hợp thành hệ thống lái ôtô.82.1. Vành lái.82.2. Trục lái.92.3. Cơ cấu lái.92.4. Dẫn động lái.162.5. Các góc đặt bánh xe.192.6. Hệ thống lái có trợ lực.24CHƯƠNG II. THIẾT KẾ HỆ THỐNG LÁI281. Lựa chọn phương án thiết kế282. Các thông số của xe thiết kế283. Tính toán động học hình thang lái293.1. Động học hình thang lái293.2. Xác định góc quay vành lái314. Tính toán thiết kế cơ cấu lái trục vít – con lăn334.1. Lực cực đại tác dụng lên vô lăng334.2. Thiết kế trục vít – êcu bi364.3. Thiết kế bộ truyền thanh răng – cung răng415. Tính bền các chi tiết còn lại của hệ thống lái445.1. Tính bền trục lái445.2. Tính bền đòn quay đứng455.4. Tính bền đòn kéo dọc485.5. Tính bền đòn kéo ngang495.6 .Tính bền đòn bên525.7 .Tính bền Rô tuyn536. Tính trợ lực lái546.1. Tính toán xilanh lực546.2. Tính sơ bộ hành trình làm việc của piston586.3. Xác định lưu lượng của bơm dầu:596.4. Tính toán các chi tiết của van phân phối61CHƯƠNG III. MÔ PHỎNG CƠ CẤU LÁI651. Xây dựng mô hình cơ cấu lái.652. Mô phỏng lắp ghép cơ cấu lái69CHƯƠNG IV. BẢO DƯỠNG VÀ SỬA CHỮA HỆ THỐNG LÁI701.Những hiện tượng hư hỏng chính của hệ thống lái702. Một số hư hỏng thường gặp và cách khắc phục723. Bảo dưỡng và sửa chữa bơm dầu73

MỤC LỤC

CHƯƠNG I TỔNG QUAN HỆ THỐNG LÁI 3

1 Mô tả chung hệ thống lái 5

1.1 Tổng quan 5

1.2 Các trạng thái quay vòng của xe 5

1.3 Phân loại hệ thống lái 6

1.4 Yêu cầu của hệ thống lái ôtô 7

2 Các bộ phận hợp thành hệ thống lái ôtô 8

2.1 Vành lái 8

2.2 Trục lái 9

2.3 Cơ cấu lái 9

2.4 Dẫn động lái 16

2.5 Các góc đặt bánh xe 19

2.6 Hệ thống lái có trợ lực 24

CHƯƠNG II THIẾT KẾ HỆ THỐNG LÁI 28

1 Lựa chọn phương án thiết kế 28

2 Các thông số của xe thiết kế 28

3 Tính toán động học hình thang lái 29

3.1 Động học hình thang lái 29

3.2 Xác định góc quay vành lái 31

4 Tính toán thiết kế cơ cấu lái trục vít – con lăn 33

4.1 Lực cực đại tác dụng lên vô lăng 33

4.2 Thiết kế trục vít – êcu bi 36

4.3 Thiết kế bộ truyền thanh răng – cung răng 41

5 Tính bền các chi tiết còn lại của hệ thống lái 44

5.1 Tính bền trục lái 44

5.2 Tính bền đòn quay đứng 45

5.4 Tính bền đòn kéo dọc 48

5.5 Tính bền đòn kéo ngang 49

5.6 Tính bền đòn bên 52

5.7 Tính bền Rô tuyn 53

6 Tính trợ lực lái 54

6.1 Tính toán xilanh lực 54

6.2 Tính sơ bộ hành trình làm việc của piston 58

6.3 Xác định lưu lượng của bơm dầu: 59

6.4 Tính toán các chi tiết của van phân phối 61

CHƯƠNG III MÔ PHỎNG CƠ CẤU LÁI 65

1 Xây dựng mô hình cơ cấu lái 65

2 Mô phỏng lắp ghép cơ cấu lái 69

CHƯƠNG IV BẢO DƯỠNG VÀ SỬA CHỮA HỆ THỐNG LÁI 70

1.Những hiện tượng hư hỏng chính của hệ thống lái 70

2 Một số hư hỏng thường gặp và cách khắc phục 72

3 Bảo dưỡng và sửa chữa bơm dầu 73

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay ngành công nghiệp ô tô ở nước ta đang phát triển mạnh mẽ và ngàycàng khẳng định vai trò to lớn của mình trong các ngành công nghiệp trọngđiểm của quốc gia Nhận thấy tiềm năng của công nghiệp ô tô nên nước ta đãchủ động mở cửa cho các nhà đầu tư nước ngoài xây dựng các nhà máy lắpráp cũng như sản xuất linh kiện ô tô trong nước góp phần giải quyết vấn đềnhân lực cũng như thúc đẩy kinh tế, đóng góp không nhỏ vào nguồn thu củachính phủ Với tốc độ phát triển mạnh mẽ như vậy càng đòi hỏi nguồn nhânlực trong ngành công nghiệp ô tô cần phải có trình độ và chuyên môn cao.Điều đó đang được thể hiện bằng việc ra đời rất nhiều trung tâm chuyênnghiên cứu phát triển công nghệ, thiết kế tính toán, mô phỏng lắp ráp ô tô…Trong các trường đại học việc khuyến khích sinh viên nghiên cứu các côngnghệ mới trên ô tô hiện đại cũng đang được sinh viên nhiệt tình tham gia.Một trong những hệ thống đặc biệt quan trọng của ô tô là hệ thống lái Hệthống này có chức năng điều khiển hướng chuyển động của ô tô, nó đảm bảotính năng ổn định chuyển động thẳng cũng như quay vòng của bánh xe dẫnhướng Trong quá trình chuyển động hệ thống lái có ảnh hưởng trực tiếp đến

an toàn của người sử dụng, đặc biệt với các loại xe hiện đại có tốc độ cao Do

đó người ta không ngừng cải tiên hệ thống lái để nâng cao tính năng của nó

Là sinh viên trường Đại học Bách khoa Hà Nội, trường đại học hàng đầu của

cả nước, việc tìm hiểu ứng dụng các công nghệ tiên tiến trên thế giới để ápdụng vào thực tế nước ta cần phải được chú trọng đặc biệt Bởi vậy chúng em

đã được giao nhiệm vụ “Thiết kế tính toán hệ thống lái xe tải 3 tấn” Với

hệ thống lái có trợ lực cải tiến quá trình điều khiển làm tăng tính năng an toànchuyển động và giúp cho người lái giảm mệt mỏi

Tuy nhiên, với một đề tài khá rộng đề cập đến nhiều vấn đề còn khá mới mẻđòi hỏi phải có thời gian dài nghiên cứu tìm hiểu Mặc dù đã có nhiều cố gắngnhưng với hiểu biết cũng như thời gian tìm hiểu hạn chế nên đồ án của emkhông tránh khỏi sai sót cũng như còn nhiều vấn đề chưa được đề cập tới Emmong các thầy và các bạn góp ý để bản đồ án được hoàn thiện hơn Qua đócũng mở ra một hướng nghiên cứu mới đối với thiết kế tính toán các hệ thốngtrên ô tô song song với tính toán thiết kế truyền thống.

Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy: Dương Ngọc Khánh đã tận tình

chỉ bảo để em có thể hoàn thành đồ án này Và em cũng xin chân thành cảm

ơn các thầy trong bộ môn ô tô và xe chuyên dụng - Viện cơ khí động trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội cùng toàn thể các bạn đã giúp đỡ emtrong quá trình nghiên cứu để hoàn thành đồ án này

lực-Hà Nội, ngày 1 tháng 6 năm 2012

Sinh viên thực hiệnNguyễn Thanh Tùng

CHƯƠNG I TỔNG QUAN HỆ THỐNG LÁI

1 Mô tả chung hệ thống lái

1.1 Tổng quan

Hệ thống lái của ôtô dùng để thay đổi hướng chuyển động của ôtô nhờ quayvòng các bánh xe dẫn hướng cũng như để giữ phương chuyển động thẳng haychuyển động cong của ôtô khi cần thiết

Việc điều khiển hướng chuyển động của xe được thực hiện như sau: vành láitiếp nhận lực tác động của người lái và truyền vào hệ thống lái, trục lái truyềnmômen từ vô lăng tới cơ cấu lái, cơ cấu lái tăng mômen truyền từ vành lái tớicác thanh dẫn động lái, các thanh dẫn động lái truyền chuyển động từ cơ cấulái đến các bánh xe dẫn hướng Kết cấu lái phụ thuộc vào cơ cấu chung của xe

và của từng chủng loại xe

Để quay vòng được thì người lái cần phải tác dụng vào vô lăng một lực Đồngthời cần có một phản lực sinh ra từ mặt đường lên mặt vuông góc với bánh

xe Để quay vòng đúng thì các bánh xe dẫn hướng phải quay quanh một tâmquay tức thời khi quay vòng

1.2 Các trạng thái quay vòng của xe

Sự chuyển động và thay đổi hướng chuyển động của xe trên đường là quátrình phức tạp Khi xe chuyển động trên đường vòng với tốc độ thấp thì ứngvới mỗi vị trí góc quay của vành tay lái nhất định vl xe sẽ quay vòng với mộtbán kính quay vòng R0 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 quayvòng là động, trạng thái quay vòng đủ ít xảy ra mà thường gặp là trạng tháiquay vòng thiếu và quay vòng thừa xảy ra trên cơ sở của việc thay đổi tốc độchuyển động, sự đàn hồi của lốp và hệ thống treo.

Khi quay vòng thiếu, để thực hiện quay vòng xe theo bán kính R0 người láiphải tăng góc quay vành lái một lượng vl Khi quay vòng thừa, để thực hiệnquay vòng xe theo bán kính R0 người lái phải giảm góc quay vành lái mộtlượng vl

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 kéo theo lực ly tâm khi quay vòng tăng) Ởnhững trạng thái này yêu cầu người lái phải có kinh nghiệm xử lý tốt Vấn đềchất tải, độ đàn hồi của lốp cũng có ảnh hưởng tới tính năng quay vòng vàtính an toàn chuyển động của xe, đặc biệt là những xe có vận tốc lớn

Hình 1.1: Các trạng thái quay vòng của xe.

1.3 Phân loại hệ thống lái

Có nhiều cách để phân loại hệ thống lái ôtô:

1.3.1 Phân loại theo phương pháp chuyển hướng

+ Chuyển hướng hai bánh xe ở cầu trước (2WS)

+ Chuyển hướng tất cả các bánh xe (4WS)

1.3.2 Phân loại hệ thống lái theo đặc tính truyền lực

+ Hệ thống lái cơ khí

+ Hệ thống lái cơ khí có trợ lực bằng thuỷ lực hoặc bằng khí nén

1.3.3 Phân loại theo kết cấu của cơ cấu lái.

+ Cơ cấu lái kiểu trục vít glôbôit - con lăn

+ Cơ cấu lái kiểu trục vít - răng rẻ quạt và trục vít - êcu bi

+ Cơ cấu lái kiểu bánh răng - thanh răng

1.3.4 Phân loại theo cách bố trí vành lái.

+ Bố trí vành lái bên trái (theo luật đi đường bên phải)

+ Bố trí vành lái bên phải (theo luật đi đường bên trái)

1.4 Yêu cầu của hệ thống lái ôtô

Một trong các hệ thống quyết định đến tính an toàn và ổn định chuyển độngcủa 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 quayvòng nhanh và ngặt trong một thời gian rất ngắn trên một diện tích rấtbé

- Lực tác động lên vành lái nhẹ, vành lái nằm ở vị trí tiện lợi đối vớingười lái

- Đảm bảo được động học quay vòng đúng để các bánh xe không bị trượtlết khi quay vòng

- Hệ thống trợ lực phải có tính chất tuỳ động đảm bảo phối hợp chặt chẽgiữa sự tác động của hệ thống lái và sự quay vòng của bánh xe dẫnhướng

- 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 treotrước không ảnh hưởng đến động học cơ cấu 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 láiVành lái của bất kỳ loại ôtô nào cũng có độ dơ nhất định, với xe con khôngđược vượt quá 8 0

2.2 Trục lái.

Trục lái có nhiệm truyền mô men lái xuống cơ cấu lái Trục lái gồm có trụclái chính có thể chuyển động truyền chuyển động quay của vô lăng xuống cơcấu 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 láikhi 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 vàloại 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 cấuđiều 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 ngườilái, hệ thống trượt trục lái để có thể điều chỉnh được chiều dài của trục lái vàđạt được vị trí ngồi lái tốt nhất cho người lái

2.3 Cơ cấu lái.

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

2.3.1 Các yêu cầu của cơ cấu lái.

Cơ cấu lái cần phải đảm bảo những yêu cầu sau:

- Có thể quay được cả hai chiều để đảm bảo chuyển động cần thiết củaxe

- Có hiệu suất cao để lái nhẹ, trong đó cần có hiệu suất thuận lớn hơnhiệu suất nghịch để các va đập từ mặt đường được giữ lại phần lớn ở cơcấu lái.

- Đảm bảo thay đổi trị số của tỷ số truyền khi cần thiết

- Đơn giản trong việc điều chỉnh khoảng hở ăn khớp của cơ cấu lái

- Độ dơ của cơ cấu lái là nhỏ nhất

- Đảm bảo kết cấu đơn giản nhất, giá thành thấp và tuổi thọ cao

- Chiếm ít không gian và dễ dàng tháo lắp

Sự đàn hồi của hệ thống lái có ảnh hưởng tới sự truyền các va đập từ mătđường lên vô lăng Độ đàn hồi càng lớn thì sự va đập truyền lên vô lăng càng

ít, nhưng nếu độ đàn hồi lớn quá sẽ ảnh hưởng đến khả năng chuyển động của

xe Độ đàn hồi của hệ thống lái được xác định bằng tỷ số góc quay đàn hồitính trên vành lái vô lăng và mô men đặt trên vành lái Độ đàn hồi của hệthống lái phụ thuộc vào độ đàn hồi của các phần tử như cơ cấu lái, các đòndẫn động …

2.3.2 Tỉ số truyền của cơ cấu lái

Tỷ số truyền cơ cấu lái ic là tỷ số giữa góc quay của bánh lái và góc quay củađòn quay đứng

c

d i d

180 360

540

5 10 15 20 25

Hình 1.2: Quy luật thay đổi tỷ số truyền ic của cơ cấu lái

Vấn đề chọn tỷ số truyền của cơ cấu lái trên cơ sở ứng với 1 đến 2 vòng quaycủa vô lăng thì bánh xe phải quay được tối đa từ 350 đến 450 từ vị trí trunggian trở đi Quy luật thay đổi tỷ số truyền thích hợp nhất được thể hiện trêngiản đồ bên dưới

Trong phạm vi góc quay   /2 thì tỷ số truyền của cơ cấu lái có giá trị cựcđại đảm bảo chính xác cao trong khi lái ôtô trên đường thẳng với tốc độ cao

và giúp lái nhẹ nhàng vì đa số thời gian lái là quay vành lái một góc nhỏquanh vị trí trung gian Ngoài việc lái nhẹ ra, cơ cấu lái có tỷ số truyền thayđổi theo qui luật như thế sẽ giảm ảnh hưởng của những va đập từ bánh dẫnhướng lên vành lái

Khi  > /2 thì ic giảm rất nhanh, ở hai rìa của đồ thị thì ic hầu như khôngthay đổi ở đoạn này khi quay vành lái một góc nhỏ thì bánh dẫn hướng quaymột góc lớn giúp khả năng quay vòng của ôtô tốt hơn

2.3.3 Tỷ số truyền của dẫn động lái i d

Tỷ số truyền này phụ thuộc vào kích thước và quan hệ của các cánh tay đòn.Trong quá trình bánh xe dẫn hướng quay vòng giá trị của các cánh tay đòn sẽ

thay đổi Trong các kết cấu hiện nay id thay đổi không nhiều lắm: id = 0,9 1,2

2.3.4 Tỷ số truyền lực của hệ thống lái i l

Là tỷ số giữa tổng lực cản quay vòng tác dụng lên bánh xe dẫn hướng và lựcđặt lên vành lái cần thiết để khắc phục lực cản quay vòng

c l l

p i p

Mc - mômen cản quay vòng của bánh xe

c - cánh tay đòn quay vòng tức là khoảng cách từ tâm mặt tựa của lốp đến đường trục đứng kéo dài.

M l - mômen lái đặt trên vành lái.

r - bán kính vành tay lái

Như vậy ta có:

c l

l

M r i

c M



Bán kính vành tay lái ở đa số ôtô hiện nay là 200  250mm và tỷ số truyềngóc ig không vượt quá 25 vì vậy il không được lớn quá, il hiện nay chọn trongkhoảng từ 10  30

2.3.5 Hiệu suất thuận

Hiệu suất thuận là hiệu suất tính theo lực truyền từ trên trục lái xuống Hiệusuất thuận càng cao thì lái càng nhẹ Khi thiết kế hệ thống lái yêu cầu phảihiệu suất thuận cao

2.3.6 Hiệu suất nghịch

Hiệu suất nghịch là hiệu suất tính theo lực truyền từ đòn quay đứng lên trụclái Nếu hiệu suất nghịch rất bé thì các lực va đập tác dụng lên hệ thốngchuyển động của ôtô sẽ không truyền đến bánh lái được vì chúng bị triệt tiêubởi ma sát trong cơ cấu lái Nhưng không thể đưa hiệu suất nghịch xuốngthấp quá vì khi đó bánh lái sẽ không tự trả lại được về vị trí ban đầu dưới tácdụng của mômen ổn định Bởi vậy để đảm bảo khả năng tự trả bánh lái từ vịtrí đã quay về vị trí ban đầu và để hạn chế các va đập từ đường tác dụng lên

hệ thống lái trong một phạm vi nào đấy thì cơ cấu lái được thiết kế với mộthiệu suất nghịch nhất định

2.3.7 Một số loại cơ cấu lái thường dùng:

a Cơ cấu lái trục vít chốt quay

Hình 1.3: Cơ cấu lái 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 1.4: Cơ cấu lái trục vít con lăn

b Cơ cấu lái trục vít con lăn

Loại cơ cấu lái này được sử dụng rộng rãi nhất Cơ cấu lái gồm trục vítglôbôit 1 ăn khớp với con lăn 2 (có ba tầng ren) đặt trên các ổ bi kim của trục

32

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

c Cơ cấu lái trục vít -êcu bi - thanh răng - cung răng.

Hình 1.5: Cơ cấu lái kiểu bi tuần hoàn

1 Vỏ cơ cấu lái 5 Ổ bi trên 8 Đai ốc hãm

2 Ổ bi dưới 6 Phớt 9 Bánh răng rẻ quạt

3.Trục vít 7 Đai ốc điều chỉnh 10 Bi

4 Êcu bi

Gồm một trục vít có hai đầu được đỡ bằng ổ bi đỡ chặn Trục vít và êcu córãnh tròn có chứa các viên bi lăn trong rãnh Khi đến cuối rãnh thì các viên bitheo đường hồi bi quay trở lại vị trí ban đầu

Khi trục vít quay (phần chủ động), êcu bi chạy dọc trục vít, chuyển động nàylàm quay răng rẻ quạt Trục của bánh răng rẻ quạt là trục đòn quay đứng Khibánh răng rẻ quạt quay làm cho đòn quay đứng quay, qua các đòn dẫn độnglàm quay bánh xe dẫn hướng

Cơ cấu lái kiểu trục vít - êcu bi – cung răng có ưu điểm lực cản nhỏ, ma sátgiữa trục vít và trục rẻ quạt nhỏ (ma sát lăn)

2.4 Dẫn động lái.

Dẫn động lái gồm những chi tiết truyền lực từ cơ cấu lái đến ngõng quay củabánh xe Dẫn động lái phải đảm bảo các chức năng sau:

- 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 rahiện tượng trượt bên lớn ở tất cả các bánh xe, đồng thời tạo liên kếtgiữa các bánh xe dẫn hướng

- Phần tử cơ bản của dẫn động lái là hình thang lái tạo bởi cầu trước, đònkéo ngang và đòn kéo bên Nhờ hình thang lái nên khi quay vô lăngmột góc thì các bánh xe dẫn hướng sẽ quay đi một góc nhất định Hìnhthang lái có thể bố trí trước hoặc sau cầu dẫn hướng tùy theo bố tríchung

Quan hệ hình học ACKERMAN biểu thị quan hệ góc quay của các bánh xedẫn hướng quanh trục đứng với giả thiết tâm quay tức thời của xe nằm trênđường kéo dài của tâm trục cầu sau

H ì n

h 2 1

1 S

ơ đ

ồ b iể

u d iễ

n c á

c k íc

h t h ư ớ

c c ủ

a đ ò

n q u a

y đ ứ n g

H ì n

h 2 1

1 S

ơ đ

ồ b iể

u d iễ

n c á

c k íc

h t h ư ớ

c c ủ

a đ ò

n q u a

y đ ứ n g

R s

Hình 1.6: Quan hệ hình học của ACKERMAN

Để thực hiện quay vòng đúng thì các bánh xe dẫn hướng (trên cùng một cầu)phải quay theo các góc ,  khác nhau và quan hệ hình học được xác địnhtheo biểu thức sau:

L: chiều dài cơ sở của xe

B: khoảng cách của hai đường tâm trụ quay đứng trong mặtphẳng đi qua tâm trục bánh xe và song song với mặt đường

, : Góc quay của bánh xe dẫn hướng phía trong và phía ngoài

Để đảm bảo điểu kiện trên, trên xe sử dụng cơ cấu hình thang lái 4 khâu gọi làhình thang lái Đantô Hình thang lái Đantô chỉ áp dụng gần đúng điều kiệntrên, song do kết cấu đơn giản nên được dùng rất phổ biến Mỗi một chủngloại xe, có kích thước và vị trí đòn của cơ cấu 4 khâu sao cho sai lệch trongquan hệ hình học của cơ cấu lái 4 khâu với quan hệ hình học ACKERMANchỉ nằm ở góc quay bánh xe dẫn hướng lớn Giá trị sai lệch so với lý thuyết từ

0030’ đến 10 khi bánh xe dẫn hướng ở vùng quay vòng gấp

Đối với dầm cầu liền, hệ thống treo phụ thuộc thì cấu tạo của hình thanh láiĐantô như sau:

Dầm cầu đứng đóng vai trò là một khâu cố định, hai đòn bên dẫn động cácbánh xe, đòn ngang liên kết với các đòn bên bằng những khớp cầu (rotuyl lái).Các đòn bên quay quanh đường tâm trụ đứng

Hình 1.7: Cơ cấu 4 khâu khi có dầm cầu liền

a Đòn kéo ngang khi có dầm cầu liền.

b Đòn kéo ngang nằm trước dầm cầu.

Trên hệ thống treo độc lập, số lượng các đòn và khớp tăng lên nhằm đảm bảocác bánh xe dịch chuyển độc lập với nhau

Số lượng các đòn tăng lên tuỳ thuộc vào kết cấu của cơ cấu lái, vị trí bố trí cơcấu lái, dẫn động lái và hệ thống treo, nhưng vẫn đảm bảo quan hệ hình họcACKERMAN, tức gần đúng với hình thang lái Đantô Hai phương pháp bố trídẫn động lái điển hình ở hệ thống treo độc lập được trình bày theo hình dưới:

Hình 1.8: Cơ cấu đòn ngang nối liên kết với hệ thống treo độc lập

a Đòn ngang nối nằm sau dầm cầu.

b Đòn ngang nối nằm trước dầm cầu.

Một số xe tải hạng nặng dùng dẫn động lái hai cầu trước tức 4 bánh dẫnhướng và hai hình thang lái 4 khâu Đantô.

Hình 1.9: Bố trí hai cầu trước dẫn hướng

Trong các kết cấu hiện nay, tỷ số truyền dẫn động lái thường nằm trongkhoảng từ 0,85 đến 1,1

2.5 Các góc đặt bánh xe.

Để tránh trường hợp người lái vẫn phải tác động liên tục lên vô lăng để giữ xe

ở trạng thái chạy thẳng, hoặc người lái phải tác dụng một lực lớn để quayvòng xe, các bánh xe được lắp vào thân xe với các góc nhất định Những gócnày được gọi chung là góc đặt bánh xe Nếu các góc đặt bánh xe không đúngthì có thể dẫn đến các hiện tượng sau:

- Khó lái

- Tính ổn định lái kém

- Trả lái trên đường vòng kém

- Tuổi thọ lốp giảm (mòn nhanh)

2.5.1.Góc nghiêng ngang của bánh xe (Camber).

Hình 1.10: Góc Camber

Góc tạo bởi đường tâm của bánh xe dẫn hướng ở vị trí thẳng đứng với đườngtâm của bánh xe ở vị trí nghiêng được gọi là góc Camber, và đo bằng độ Góc Camber ngăn ngừa khả năng bánh xe bị nghiêng theo chiều ngược lạidưới tác động của trọng lượng xe do các khe hở và sự biến dạng trong các chitiết của trục trước và hệ thống treo trước Đồng thời giảm cánh tay đòn củaphản lực tiếp tuyến với trục trụ đứng, để làm giảm mômen tác dụng lên dẫnđộng lái và giảm lực lên vành tay lái

Khi chuyển động trên đường vòng, do tác dụng của lực ly tâm thân xenghiêng theo hướng quay vòng, các bánh xe ngoài nghiêng vào trong, cácbánh xe trong nghiêng ra ngoài so với thân xe Để các bánh xe lăn gần vuônggóc với mặt đường để tiếp nhận lực bên tốt hơn, trên xe có tốc độ cao, hệ treođộc lập thì góc Camber thường âm

2.5.2 Góc nghiêng dọc trụ đứng và chế độ lệch dọc (Caster và khoảng Caster).

Góc nghiêng dọc của trụ đứng đo bằng độ, xác định bằng góc giữa trụ xoayđứng và phương thẳng đứng khi nhìn từ cạnh xe Khoảng cách từ giao điểmcủa đường tâm trục đứng với mặt đất đến đường tâm vùng tiếp xúc giữa lốp

và mặt đường được gọi là khoảng Caster

Hình 1.11: Caster và khoảng Caster

Hồi vị bánh xe do khoảng Caster: Dưới tác dụng của lực ly tâm khi bánh xevào đường vòng hoặc lực do gió bên hoặc thành phần của trọng lượng xe khi

xe đi vào đường nghiêng, ở khu vực tiếp xúc của bánh xe với mặt đường sẽxuất hiện các phản lực bên Yb

Khi trụ quay đứng được đặt nghiêng về phía sau một góc nào đó so với chiềutiến của xe (Caster dương) thì phản lực bên Yb của đường sẽ tạo với tâm tiếpxúc một mô men ổn định, mômen đó được xác định bằng công thức sau:

M=Yb.cMômen này có xu hướng làm bánh xe trở lại vị trí trung gian ban đầu khi nó

bị lệch khỏi vị trí này Nhưng khi quay vòng người lái phải tạo ra một lực để

khắc phục mô men này Vì vậy, góc Caster thường không lớn Mômen nàyphụ thuộc vào góc quay vòng của bánh xe dẫn hướng Đối với các xe hiện đạithì trị số của góc Caster bằng khoảng từ 00đến 30.

2.5.3 Góc nghiêng ngang trụ đứng (Kingpin)

Góc nghiêng ngang của trụ đứng được xác định trên mặt cắt ngang của xe.Góc Kingpin được tạo nên bởi hình chiếu của đường tâm trụ đứng trên mặtcắt ngang đó và phương thẳng đứng

Hình 1.12: Góc Kingpin

Tác dụng:

Giảm lực đánh lái: Khi bánh xe quay quanh trụ đứng với khoảng lệch tâm làbán kính quay của bánh xe quay quanh trụ đứng r0 Nếu r0 lớn sẽ sinh ra mômen lớn quanh trụ quay đứng do sự cản lăn của lốp, vì vậy làm tăng lực đánhlái Do vậy giá trị của r0 có thể được giảm để giảm lực đánh lái, phương pháp

để giảm r0 là tạo Camber dương và làm nghiêng trụ quay đứng (tạo gócKingPin)

Cải thiện tính ổn định khi chạy thẳng: Góc KingPin sẽ làm cho các bánh xe tựđộng quay về vị trí chạy thẳng sau khi quay vòng do có mômen phản lực (gọi

là mômen ngược) tác dụng từ mặt đường lên bánh xe Giá trị của mômenngược phụ thuộc vào độ lớn của góc KingPin

Hình 1.13: Độ chụm

Quá trình lăn của bánh xe gắn liền với sự xuất hiện lực cản lăn Pf ngược chiềuchuyển động đặt tại chỗ tiếp xúc của bánh xe với mặt đường Lực Pf này đặtcách trụ quay đứng một đoạn R0 và tạo nên một mômen quay với tâm trụ quayđứng Mômen này tác dụng vào hai bánh xe và ép hai bánh xe về phía sau Đểlăn phẳng thì các bánh xe đặt với độ chụm Δ = B-A dương

Với góc Δ như thế thì tạo lên sự ổn định chuyển động thẳng của xe tức là ổn định vành tay lái.

Hình 1.14: Lực cản lăn và vị trí đặt của nó

Ở cầu dẫn hướng, lực kéo cùng chiều với chiều chuyển động sẽ ép bánh xe vềphía trước Bởi vậy góc Δ giảm.Trong trường hợp này, để giảm ảnh hưởngcủa lực cản lăn và lực phanh và đồng thời giảm tốc độ động cơ đột ngột(phanh bằng động cơ), thì bố trí các bánh xe với góc đặt Δ có giá trị nhỏhơn hoặc bằng không

2.6 Hệ thống lái có trợ lực

2.6.1 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 ngườilái Trên xe có tốc độ cao, trợ lực lái còn nâng cao tính an toàn chuyển độngkhi 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 đềudùng lốp bản rộng, áp suất thấp để tăng diện tích tiếp xúc với mặt đường Kếtquả 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

2.6.2 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 xy lanh lực:

- Hệ thống lái trợ lực kiểu van phân phối, xy lanh lực đặt chung trong cơcấu 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 kết hợp trong đònkéo

Hiện nay dạng bố trí thông dụng nhất trên hệ thống lái của xe là van phânphối, xy lanh lực và cơ cấu lái đặt chung Còn nguồn năng lượng là một bơmcánh gạt được dẫn động từ động cơ của xe nhờ dây đai

2.6.3 Nguyên lý trợ lực lái

Trợ lực lái là một thiết bị thuỷ lực sử dụng công suất của động cơ để giảm nhẹlực lái Động cơ dẫn động bơm tạo ra dầu cao áp tác dụng lên piston nằmtrong 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 vậynếu cần trợ lực lớn hơn thì phải tăng áp suất dầu

a 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 cảdầu sẽ chảy qua van vào cửa xả và hồi về bơm Vì áp suất dầu bên trái và bênphải piston là như nhau nên piston không chuyển động về hướng nào.

Bơm Khối van điều khiển

Hình 1.15: Sơ đồ nguyên lý trợ lực lái ở vị trí trung gian

Xylanh lực

Khi trục lái chính quay theo bất kỳ hướng nào, giả sử quay sang phải thì vanđiều khiển cung di chuyển làm đóng một phần cửa dầu, còn cửa kia mở rộnghơn Vì vậy làm thay đổi lượng dầu vào các cửa, cùng lúc đó áp suất dầuđược tạo ra Như vậy tạo ra sự trênh lệch áp suất giữa hai khoang trái và phảicủa piston Sự trênh lệch áp suất đó làm piston dịch chuyển về phía có áp suấtthấp, dầu bên áp suất thấp sẽ được đẩy qua van điều khiển về bơm

BơmKhối van điều

CHƯƠNG II THIẾT KẾ HỆ THỐNG LÁI

1 Lựa chọn phương án thiết kế

Chọn phương án dẫn động lái cơ khí sử dụng hình thang lái Đanto vì:

- Có kết cấu đơn giản, chỉ gồm 4 khâu

- Đáp ứng được gần đúng quan hệ lý thuyết

Lựa chọn cơ cấu lái loại trục vít - ecu bi – cung răng dựa trên những ưu điểmcủa nó: hiệu suất cao, độ bền cao, dễ dàng phối hợp với hệ thống lái Đanto…

2 Các thông số của xe thiết kế

Khối lượng toàn bộ: 5500 kgChiều dài cơ sở: 3350

Chiều rộng tổng: 1995

Me max = 227 Nm tại n = 2200 vòng/ phút

Hệ thống truyền lực 4*2Lốp 7.0-16.1

3 Tính toán động học hình thang lái

Hình 2.2: Sơ đồ hình thang lái

Các thông số của hình thang lái

Sử dụng Matlab với đoạn lệnh sau để vẽ đồ thị đặc tính hình thang lái :

l+2*m*sin(t*pi/180)-2*l*sin(t*pi/180).^2-m*sin(b*pi/180+t*pi /180);

g3 =

l^2*cos(b*pi/180+t*pi/180).^2+(m-l*sin(b*pi/180+t*pi/180)).^ 2;

plot(b,gocquaylt(b), 'r-' , 'LineWidth' ,2); hold on ; axis

equal ;

Ta có đồ thị đặc tính hình thang lái sau

Hình 2.3: Đồ thị đặc tính hình thang lái sau

Từ đồ thị ta thấy với  = 200 đường cong gần với đường cong lí thuyết nhất

Hình 2.4: Bảng số liệu giá trị α lt ,α tt ,  ứng với  200

Từ bảng số liệu ta chọn được

0 max 25.3

bx

  bxmax 320

Thỏa mãn điều kiện

01



 Tổng góc quay bánh xe dẫn hướng lớn nhất về hai phía

0 max max 25.3 32 57.3

Tổng góc quay vành lái lớn nhất tương ứng : 57.3*23 = 13180

4 Tính toán thiết kế cơ cấu lái trục vít – con lăn

4.1 Lực cực đại tác dụng lên vô lăng

Lực đặt lên vô lăng đạt giá trị cực đại khi ô tô quay vòng tại chỗ, xe đầy tải,đường có hệ số cản lăn và hệ số bám ngang lớn

Momen cản quay vòng trên 1 bánh xe dẫn hướng:

Hình 2.5: Cánh tay đòn a (độ lệch)

 M1 = 8093*0.015*0.050 = 6.1 NmMomen cản ngang M2: Khi momen quay vòng tác dụng lên bánh xe, tại khuvực tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường sẽ xuất hiện lực ngang Y Do lốp cótính đàn hồi nên lực Y làm vết tiếp xúc lệch đi so với trục bánh xe một đoạnx

Hình 2.6: Lực ngang Y

Lực ngang có giá trị cực đại bằng lực bám:

Ymax = j * Gbx

 M2 = Y * x = j * Gbx* xChọn

c

M  

= 1720 NmLực cực đại tác dụng lên vô lăng sẽ là

ax c

m

vl c d th

M P



  Chọn bán kính vô lăng: Rvl = 250 mm

Đối với cơ cấu lái trục vít – êcu bi – cung răng hiệu suất thuận là: th 0.65

Tỉ số truyền cơ cấu lái: ic = 23

d n

l

l  

11720

ln

ld

Hình 2.8: Các thông số của trục vít - êcu bi

Lực Pd có giá trị như sau:

c d th d

cr n

M l P