Thiết kế hệ thống lái xe tải, cơ cấu lái trục vít con lăn

TKMH: Kết cấu và tính toán ô tô. GVHD: Th.s Vũ Văn Tấn LỜI NÓI ĐẦU Trong bất kỳ thời đại nào, dù là nước phát triển hay chưa phát triển thì GTVT luôn có tầm quan trọng hàng đầu đối với nhiều lĩnh vực, nhất là lĩnh vực kinh tế. Ngày nay các phương tiện giao thông không ngừng đổi mới, phát triển theo hướng ngày càng hiện đại để thoả mãn nhu cầu sử dụng ngày càng cao của con người. Trong các loại phương tiện giao thông hiện có trên thế giới, ôtô luôn có tầm quan trọng hàng đầu và luôn thu hút được các nhà khoa học đầu tư nghiên cứu. trong phạm vi đề tài được giao, bài viết này chỉ đề cập đến việc thiết kế hệ thống lái của ôtô Để cho quá trình vận tải được thực hiện thì hệ thống lái đóng vai trò hết sức quan trọng, nó dùng để thay đổi phương hướng chuyển động của ô tô hoặc giữ cho ô tô chuyển động theo hướng định trước của người lái. Trong quá trình chuyển động trên đường, hệ thống lái có ảnh hưởng rất lớn đến sự an toàn chuyển động của xe nhất là ở tốc độ cao, do đó chúng đã không ngừng được hoàn thiện. Thiết kế hệ thống lái của ô tô với các số liệu sau: Số TT Thông số Số liệu 1 Loại Ôtô Tải 2 Loại cơ cấu lái Trục vít con lăn I c =20.5 3 Bánh xe 8.25 – 20 4 Z 1 (KG) 2037 5 L(mm) 3600 6 B(mm) 1940 7 Ghi chú Hệ thống treo phụ thuộc SVTH: Dương Ngô Như Lớp: Ô tô K13B-TX 1 TKMH: Kết cấu và tính toán ô tô. GVHD: Th.s Vũ Văn Tấn PHẦN I - YÊU CẦU CHUNG CỦA HỆ THỐNG LÁI Việc thay đổi hướng chuyển động của ôtô thực hiện bằng cách quay các bánh xe trước thông qua cơ cấu lái. Cơ cấu lái gồm có bộ tay lái và bộ phận dẫn động. Sự quay của vành tay lái, thông qua bộ tay lái sẽ truyền cho cần chuyển hướng và đòn chuyển hướng của bộ phận dẫn động để làm quay các bánh xe chủ động. Hệ thống lái của ôtô cần phải thoả mãn những yêu cầu cơ bản sau: - Đảm bảo quay vòng ô tô thật ngoặt trong thời gian rất ngắn trên một diện tích bé - Nhẹ nhàng trong việc điều khiển ( lực tác động lên vành tay lái bé ). - Đảm bảo động lực học quay vòng đúng để các bánh xe không bị trượt. - Hệ thống lái phải có khả năng ngăn được các va đặp của bánh xe dẫn hướng nên vành tay lái. - Giữ cho xe chuyển động thẳng và ổn định. SVTH: Dương Ngô Như Lớp: Ô tô K13B-TX 2 TKMH: Kết cấu và tính toán ô tô. GVHD: Th.s Vũ Văn Tấn PHẦN II - THIẾT KẾ HỆ THỐNG LÁI I. TÍNH TOÁN HỆ THỐNG LÁI. 1.Xác định lực tác dụng nên vành tay lái: - Lực tác dụng nên vành tay lái sẽ có giá trị cực đại khi ô tô quay vòng tại chỗ, để tạo ra mô men đủ thắng các mô men cản bao gồm: + Mô men cản lăn M1. + Mô men cản M2 gây nên bởi sự trượt lê của bánh xe dẫn hướng trên mặt đường. + Mô men cản M3 gây nên bởi việc làm ổn định của các bánh xe dẫn hướng. Ta có: M 1 =G b x .f.a Trong đó: Gbx:Trọng lượng tác dụng nên một bánh xe dẫn hướng (N). Gbx=Z 1 /2=2037/2=1018,5 (KG) hay Gbx=10185 (N) f: Hệ số cản lăn f=0.01 a:Tay đòn của lực cản lăn đối với trụ đứng của hệ thống lái ( Chọn a=23mm) M 1 =10185.0,01.23=2342,55 (Nm) M 2 =Y.x=G b x .ϕ.0,14.r b x Trong đó: ϕ: Hệ số bám Đối với đường khô và sạch ϕ = 0,7÷ 0,8 . Ta chọn: ϕ = 0,7 Hình 1 x:Tay đòn của lực ngang đối với trụ đứng của hệ thống lái, thừa nhận x=0,14rbx r b x : Bán kính làm việc trung bình của bánh xe r b x = λ.r 0 (λ= 0.93 ÷ 0.95 : áp suất lốp bánh xe ) Ta chọn :λ = 0.93 r 0 = 4.25* 2 2Bd + (mm). SVTH: Dương Ngô Như Lớp: Ô tô K13B-TX 3 P Y a f )(5,319 325,0.75,30.425 1357192 max NP == TKMH: Kết cấu và tính toán ô tô. GVHD: Th.s Vũ Văn Tấn Với thông số của lốp đã cho ta có: r b x = 0.93. 4.25* 2 25.8.220 + = 431(mm) M 2 =10185.0,7.0,14.431=430194(Nmm). Ảnh hưởng của mô men cản M3 được xác định bằng thực nghiệm và đúc rút thành một hệ số α =1,07 ÷ 1,15, ta chọn α=1,1. + Mô men cản tổng cộng. M=2.G b x .(f.a+0,14.r b x ). α =2.10185.(0,01.23+0,14.431).1,1 =1357192(Nmm). + Lực tác dụng nên vành tay lái. Trong đó: R: Bán kính vành tay lái R= 425 (mm) (Tra bảng 4 – Hướng dẫn TKMH) i ∑ :Tỉ số truyền tổng cộng từ vành tay lái đến bánh xe dẫn hướng i ∑ =i c .i d =20,5.1,5=30.75 (Chọn id=1.5) η∑=ηth. ηl ηth: Hiệu suất thuận của cơ cấu lái ηth=0,65. ηl: hiệu suất tính đến sự ma sát của dẫn động lái ηl=0,5 η∑=0,65.0,5=0,325 Do đó: Ta thấy Pmax< 500(N) nên thoả mãn. SVTH: Dương Ngô Như Lớp: Ô tô K13B-TX 4 ∑∑ = η max iR M P TKMH: Kết cấu và tính toán ô tô. GVHD: Th.s Vũ Văn Tấn 2. Thiết kế cơ cấu lái. 2.1. Tính toán trục vít. - Chọn khoảng cách trục A, số răng z2 của bánh vít, số mối ren z1. - Trên cơ sở tỉ số truyền đã cho và dựa vào thiết kế CTM ta có: ic=20,5 Chọn số mối ren trục vít: Z1=2 ⇒ Số răng của bánh vit : Z2 = 2.20,5 =41 ⇒ Khoảng cách trục : A=0.5m(q+Z2+2) Với: m: môdun răng của trục vít .Chọn m=3 q: đường kính trục vít (tra bảng 4-1 thiết kế CTM) → q = 12 : hệ số dịch dao . Chọn  = 0 A = 0,5.3(12+41) = 79,5 ≈ 80 (mm) - Đường kính vòng chia trục vít :dc1 dc1 = q.m = 12.3 =36(mm) - Xác định đường kính vòng đáy ren trong tiết diện trung bình của trục vít Di1 Di1 = dc1-2f0m-2c0m Với: f0: Hệ số chiều cao răng chọn f0=1 c0: Hệ số khe hở hướng tâm c0=0,2 ⇒ Di1=36-2.1.3-2.0,2.3=28.8 (mm) -Xác định đường kính vòng tròn tính toán d1 tại tiết diện trung bình của trục vít d1=Di1+2.h1,, Trong đó: h1,,: Chiều cao đầu răng trục vít h1,,=(f0+c0+ξ).m f0: Hệ số chiều cao răng chọn f0=1 c0: Hệ số khe hở hướng tâm c0=0,2 ξ: Hệ số dịch dao ξ=0 m: Mô đun răng trục vít chọn m=3 SVTH: Dương Ngô Như Lớp: Ô tô K13B-TX 5 ( ) 5.04 41 360 2 += γ TKMH: Kết cấu và tính toán ô tô. GVHD: Th.s Vũ Văn Tấn ⇒ h1,,=(1+0,2+0).3=3,6 (mm) d1=28.8+2.3,6=36 (mm) - Tính toán đường kính vòng đỉnh ren trục vít De1 De1=d1+2.h1, Trong đó: h1 ’ : Chiều cao chân răng h1 ’ =(f0+ξ).m=(1+0).3=3 De1=36+2.3=42 (mm) - Bán kính răng của mặt đỉnh răng trục vít Re1 Re1=A- 0,5. De1 Re1=80- 0,5.42 Re1=59 (mm) - Xác định chiều dài làm việc của trục vít 2: L=d2.Sinγ (2.1) Trong đó: d2: Đườngkính tính toán bánh vít γ: Góc ôm z 2 : Số răng của bánh vít . Z 2 =41 z’ 2 : Số răng được trục vít ôm.Giả sử Z 2 =4 Do đó ta có: ⇒ γ=19.80 2.2 Tính toán bánh vít d 2 :đường kính vòng tròn tính toán của bánh vít d2=2A- d1 d2=2. 80-36 = 124 (mm) d 2 =124(mm). SVTH: Dương Ngô Như Lớp: Ô tô K13B-TX 6 ( ) 5.0 360 2 2 2 + ′ = z z γ TKMH: Kết cấu và tính toán ô tô. GVHD: Th.s Vũ Văn Tấn -Đường kính vòng đỉnh bánh vít De2 De2=d2+2h2’ h2’=h1’’- c Trong đó: c=co.m=0,2.3=0,6 h2’=3,6-0,6=3 De2=124+2.3 De2=130(mm) -Đường kính vòng đáy răng D i 2 =d 2 - 2h 2 , , h 2 , , =h 1 , +c=3+0,6 h 2 , , =3,6 D i 2 =124-2.3,6 D i 2 =116.8(mm) * Từ các thông số đã cho ta xác định được chiều dài làm việc của trục vít. L= d 2 .sinγ=124.sin19.8 0 = 42(mm) 3.Thiết kế trục lái. - Trục lái được làm bằng ống thép rỗng và được tính xoắn bởi mô men sinh ra do lực tác dụng của người lái P MA X . - Ứng suất xoắn: Trong đó: P M A X : Lực tác dụng nên vành tay lái P M A X =319,5 (N) R: bán kính vành tay lái R=425 (mm) D,d: Đường kính ngoài và trong của trục lái τ<[τ]=50÷80 (MN/m 2 ) Chọn [τ]= 65 SVTH: Dương Ngô Như Lớp: Ô tô K13B-TX 7 )(2,0 . 44 · dD DRP XMA − = τ )(90525 3.14,3 425.5,319.2 NT == π TKMH: Kết cấu và tính toán ô tô. GVHD: Th.s Vũ Văn Tấn Do đó ta có: Giả sử d=0,8D ⇒ Pmax.R = 0,2.0,6.65.D 3 ⇒D =25,9 Ta lấy D = 26(mm) ⇒ d = 0,8.26 = 21(mm) Vậy ta có: τ=6,7.10 1 0 (N/m 2 )=67 (MN/m 2 ) 4. Kiểm tra bền cơ cấu lái. Truyền động loại trục vít con lăn cần đảm bảo cho các răng có độ bền uốn,bởi thế trong tính toán cần chú ý đến độ chống mòn và độ bền tiếp xúc. - Kiểm tra theo ứng suất chèn dập Trong đó: T: lực dọc trục. Với t=πm P MA X : Lực tác dụng lớn nhất nên vành tay lái R: Bán kính vành tay lái R=425 (mm) SVTH: Dương Ngô Như Lớp: Ô tô K13B-TX 8 )/( )021,0026,0(2,0 026,0.425.5,319 2 44 mN − = τ 2 /800700 mMN F T chd ÷≤= δ t RP T 2 max π = 65 )(2,0 . 44 · = − dD DRP XMA TKMH: Kết cấu và tính toán ô tô. GVHD: Th.s Vũ Văn Tấn F: Diện tích tiếp xúc giữa trục vít với con lăn xem như tải trọng truyền lên một đường ren của con lăn. ϕ 2 = 23 0 , ϕ 1 = 76 0 , r 1 = De 1 /2 =21, r 2 = De 2 /2 =65 ϕ 1 = 180 76. 0 π =1,326; ϕ 2 = 180 23. 0 π =0,4 ⇒ F=(1,326- 0,970).21 2 +(0,4- 0,39).65 2 = 156.997+42,25 F=199,277(mm 2 ) =45426 (N/cm 2 ) =454,26 (MN/m2) - Sơ đồ trục vít bánh vít: hình 2 Hình 2 5. Tính toán dẫn động lái - Sơ đồ hệ thống lái : hình 3 SVTH: Dương Ngô Như Lớp: Ô tô K13B-TX 9 )/(26,454 277,199 90525 2 mmN chd == δ Trục vít Bánh vít ϕ 1 ϕ 2 r 2 r 1 ( ) ( ) 2 222 2 111 sin.sin rrF ϕϕϕϕ −+−= β α B TKMH: Kết cấu và tính toán ô tô. GVHD: Th.s Vũ Văn Tấn Hình 3 Các thanh dẫn động trong hình thang lái được tính toán như sau: 5.1 Đòn quay đứng . Dùng để truyền chuyển động từ trục bị động của cơ cấu lái đến thanh dọc của dẫn động lái . Thực nghiệm chứng tỏ rằng lực cực đại tác dụng nên đòn quay đứng thường không quá 0,5G1.Tính toán với hai giá trị N giá trị nào lớn hơn ta lấy. N=0,5G 1 =0,5.20370 =10185 (N) N= l RP thuan η .max Trong đó : l:Chiều dài đòn quay đứng l=180(mm)(Tra bảng 4 HDTKMH) R:Bán kính vành tay lái R=425(mm) P MA X :lực cực đại tác dụng nên vành tay lái P m a x =243,1(N) h:Hiệu suất truyền h thuận =0,65 N= )(3,490 180 65,0.425.5,319 N= Vậy ta lấy N=10185 (N) hay N=1018,5 (KG) + Ứng suất uốn tác dụng lên đòn quay đứng: σ u = u W lN . < [σ u ]=1500÷2000(KG/cm 2 ) Lấy [σ u ]=1800(KG/cm 2 ) Mặt khác ta có:W u = 32 . 3 d π ⇒ 3 . 32 d lN π =1800(KG/cm 2 ) (d: đường kính trục của đòn quay đứng) SVTH: Dương Ngô Như Lớp: Ô tô K13B-TX 10 l [...]... Vậy ta có LR=1940- 2.244,5.sin13=1830(mm) TÀI LIỆU THAM KHẢO 1 Thiết kế hệ thống lái của ôtô- Máy kéo bánh xe Tác giả: Phạm Minh Thái 2 Kết cấu tính toán ô tô ( Nhà xuất bản GTVT 1984 ) Tác giả: Trịnh Chí Thiện Tô Đức Long, Nguyễn Văn Bang 3 Thiết kế chi tiết máy (Nhà xuất bản GD 1999 ) Tác giả: Nguyễn Trọng Hiệp, Nguyễn Văn Lẫm 4 Thiết kế và tính toán ô tô máy kéo tập 1 và 2 ( Nhà xuất bản Đại học... dụng nên bánh xe trước ô tô ở trạng thái tĩnh G 1 =20370 (N) m 1 P Hệ số phân bố trọng lượng nên cầu dẫn hướng khi phanh lúc tính toán ta lấy m 1 p =1,4 f Hệ số bám f =0,7÷0,8 Ta lấy f =0,7 a tay đòn của lực cản lăn đối với trụ đứng của hệ thống lái a=23(mm) b=45(mm) Q= 20370.1,4.0,7.23 = 5101( N ) 2.45 -Ưng suất nén : +Của thanh dọc : SVTH: Dương Ngô Như 11 Lớp: Ô tô K13B-TX TKMH: Kết cấu và tính toán... cho trước một góc  ứng với một giá trị của a ta sẽ có một giá trị tương ứng b nghĩa là có hàm b=f(,a) Ta coi  là hàm số thì ta sẽ được một họ đường cong b-a Sau đó xem góc  của đường cong nào nằm sát với đường cong lí tưởng thì lấy để thiết kế thang lái Sau khi có góc  ta đi xác định LR theo biểu thức : LR=B-2lsin Trong đó : l=0,15B=0,15.1940 =291 (mm) ∗ Cụ thể ta tiến hành tính toán các hàm lý... F n =F d =191(mm 2 )) -Hệ số dự trữ bền : σ nd k= σ = nn 53,3 =2 26,7 Vậy thanh đủ bền (Vì k = 1,25÷2,5) 5.3 Thiết kế hình thang lái - Khi quay vòng ô tô là một vật thể thốnh nhất mà tất cả các điểm của nó được quay quanh từng tâm quay tức thời Để đạt được điều kiện nêu trên làm cho các bánh xe khi quay vòng không bị trượt và điều khiển rễ ràng thì các tâm quay của các bánh xe phải gặp nhau tại một... các bánh xe phải gặp nhau tại một điểm O và phải thoả mãn biểu thức liên hệ giữa góc quay a và b như sau : cotgb-cotga= SVTH: Dương Ngô Như B L 12 Lớp: Ô tô K13B-TX TKMH: Kết cấu và tính toán ô tô Trong đó : GVHD: Th.s Vũ Văn Tấn a: góc quay của bánh xe dẫn hướng phía trong b: góc quay của bánh xe dẫn hướng phía ngoài L : Chiều dài cơ sở của ô tô B : Khoảng cách giữa tâm hai trụ đứng của cầu dẫn hướng... 24 Lớp: Ô tô K13B-TX TKMH: Kết cấu và tính toán ô tô 40 42 44 46 22.04 22.24 22.36 22.41 40 42 44 46 22.5 22.75 22.91 23 40 42 44 46 GVHD: Th.s Vũ Văn Tấn 22.97 23.26 23.47 23.6 40 42 44 46 23.45 23.78 24.03 24.2 40 42 44 46 23.93 24.3 24.59 24.81 40 42 44 46 24.41 24.83 25.16 25.42 Từ kết quả bảng trên ta có các đường cong thực tế ứng vói các góc ố khác nhau so với đuờng cong lí tưởng , ta chọn =13... bảng 1-1 SVTH: Dương Ngô Như 13 Lớp: Ô tô K13B-TX TKMH: Kết cấu và tính toán ô tô GVHD: Th.s Vũ Văn Tấn BẢNG 1-1: Hàm lý thuyết α 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 440 460 β 9.31 10.97 12.68 14.3 15.85 17.43 18.93 20.4 21.9 23.31 24.7 26.1 27.47 28.85 30.15 31.5 32.82 34.13 35.41 BẢNG 2-2:Hàm thực tế của hệ thống lái =11 0 α0 β0 10 9.756 12 11.58 14 13.38 16 15.16 α0... α0 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 Lớp: Ô tô K13B-TX 12 β0 9.738 11.54 13.32 15.08 16.8 18.5 20.17 21.8 23.39 24.94 26.45 27.91 29.31 30.67 31.96 33.2 34.37 35.48 36.52 TKMH: Kết cấu và tính toán ô tô 23 α 0 22 β 9.769 11.31 12.82 14.29 15.72 17.1 18.43 19.72 20.95 22.12 23.24 24.3 25.29 26.21 27.07 27.86 28.57 29.21 0 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46... α 0 β0 9.693 11.36 13 14.61 16.18 17.72 19.21 20.66 22.06 23.41 24.71 25.96 27.14 28.27 29.33 30.32 31.25 32.1 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 32.88 Lớp: Ô tô K13B-TX TKMH: Kết cấu và tính toán ô tô 29 β0 10.03 11.41 12.74 14.03 15.27 16.45 17.58 18.66 19.67 20.62 21.51 22.33 23.08 23.76 24.37 24.9 25.36 25.73 26.03 0 α 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44...TKMH: Kết cấu và tính toán ô tô ⇒d= GVHD: Th.s Vũ Văn Tấn 32.1018,5.18 = 4,6(cm) = 46(mm) 3,14.1800 3 ⇒ W u = 9,55(cm4) ⇒ σu= 1018,5.18 =1919,7 (KG/cm2) 9,55 + ứng suất xoắn tác dụng lên đòn quay đứng: τx = W0= . các thông số đã cho ta xác định được chiều dài làm việc của trục vít. L= d 2 .sinγ=124.sin19.8 0 = 42(mm) 3.Thiết kế trục lái. - Trục lái được làm bằng ống thép rỗng và được tính xoắn bởi mô. thông qua bộ tay lái sẽ truyền cho cần chuyển hướng và đòn chuyển hướng của bộ phận dẫn động để làm quay các bánh xe chủ động. Hệ thống lái của ôtô cần phải thoả mãn những yêu cầu cơ bản sau: -. gây nên bởi sự trượt lê của bánh xe dẫn hướng trên mặt đường. + Mô men cản M3 gây nên bởi việc làm ổn định của các bánh xe dẫn hướng. Ta có: M 1 =G b x .f.a Trong đó: Gbx:Trọng lượng tác dụng