Nghiên cứu, phân tích và đánh giá động lực học hệ thống lái ô tô

Ô tô là một phương tiện giao thông đang dần dần phổ biến ở nước ta. Nó giữ vai trò quan trọng trong mạng lưới giao thông đường bộ.

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ 5

LỜI NÓI ĐẦU 8

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LÁI 10

1.1 Nhiệm vụ yêu cầu và phân loại 10

1.1.1 Nhiệm vụ 10

1.1.2 Yêu cầu của hệ thống lái 11

1.1.3 Phân loại hệ thống lái 12

1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động chung của hệ thống lái 13

1.2.1 Cấu tạo 13

1.2.2 Nguyên lý hoạt động 14

1.3 Các bộ phận chính của hệ thống lái 14

1.3.1 Trục lái 14

1.3.2 Cơ cấu lái 15

1.3.2.1 Chức năng 15

1.3.2.2 Một số cơ cấu lái thường dùng 16

1.3.3 Dẫn động lái 20

1.4 Các thông số cơ bản của hệ thống lái 23

1.4.1 Tỉ số truyền của hệ thống lái 23

1.4.2 Điều kiện không trượt khi quay vòng 26

1.4.3 Góc đặt bánh xe 29

1.4.3.1 Góc doãng (góc camper) 30

1.4.3.3 Góc nghiêng ngang của chốt chuyển hướng (góc kingpin)

36

1.4.3.4 Độ chụm đầu 38

1.4.3.5 Góc quay vòng 39

CHƯƠNG II: MỘT SỐ HỆ THỐNG LÁI THÔNG DỤNG 41

2.1 Hệ thống lái cơ khí thông thường không trợ lực .41

2.1.1 Hệ thống lái loại trục vít – bánh vít 41

Cấu tạo: 41

Nguyên lý làm việc : 42

2.1.2 Hệ thống lái loại thanh răng – bánh răng 42

Cấu tạo: 42

Nguyên lý hoạt động: 43

2.1.3 Đánh giá về hệ thống lái cơ học loại thường ( không có trợ lực) 43

2.2 Hệ thống lái có trợ lực (không có điều khiển điện tử) 44

2.2.1 Khái quát hệ thống lái trợ lực 44

2.2.2 Bộ trợ lực lái loại khí 45

Cấu tạo : 45

Nguyên lý hoạt động: 45

2.2.3 Hệ thống lái trợ lực thủy lực loại bánh răng xoắn - thanh răng .46

2.2.3.1 Sơ đồ hệ thống lái trợ lực thủy lực 46

2.2.3.2 Bộ trợ lực thủy lực 47

2.2.3.3 Bơm trợ lực lái 49

2.2.4 Đánh giá về hệ thống lái trợ lực không dùng điều khiển điện

tử 50

2.3 Hệ thống lái trợ lực điều khiển điện tử 51

2.3.1 Khái niệm 51

2.3.2 Một số bộ phận của hệ thống lái trợ lực điều khiển điện tử 51

2.3.3 Sơ đồ và cấu tạo bộ trợ lực lái điều khiển điện tử .52

2.3.4 Nguyên lý hoạt động của hệ thống lái trợ lực điều khiển điện tử 54

2.3.5 Những ưu điểm của hệ thống lái trợ lực điều khiển điện tử 56

CHƯƠNG III ĐÁNH GIÁ ĐỘNG LỰC HỌC QUAY VÒNG Ô TÔ 58

3.1 Phương trình quay vòng ô tô hai cầu 58

3.1.1 Mô hình phẳng của ô tô 58

3.1.2 Mô hình của hệ thống lái 60

3.2 Đánh giá động lực học quay vòng đều của ô tô hai cầu (Tính điều khiển tĩnh) 63

3.2.1 Động lực học mô hình một vệt bánh xe 63

3.2.2 Đánh giá tính điều khiển tĩnh của ô tô 67

3.2.2.1 Vận tốc góc quay thân xe, hiện tượng quay vòng thừa, quay vòng thiếu 68

3.2.2.2 Góc lệch hướng chuyển động của ô tô (góc lệch bên) .71

3.2.2.3 Gia tốc bên 73

3.2.2.4 Đánh giá đặc tính tốc độ của xe cụ thể .74

3.2 Đánh giá động lực học quay vòng động của xe ô tô hai cầu (Tính điều khiển động) 78

3.2.1 Tính điều khiển động 78

3.2.1.1 Hàm truyền hệ thống 79

3.2.1.2 Điều kiện ổn định của hệ thống 82

3.2.2 Đánh giá chất lượng hệ thống trong điều khiển động .83

3.2.2.1 Một số khái niệm 83

3.2.2.2 Đánh giá quá trình quá độ của hệ thống .84

KẾT LUẬN 88

TÀI LIỆU THAM KHẢO 90

PHỤ LỤC 92

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1 - 1: Các phương pháp quay vòng xe cơ giới 10

Hình 1 - 2: Sơ đồ cấu tạo chung của hệ thống lái 13

Hình 1 - 3: Cấu tạo chung của trục lái 14

Hình 1 - 4: Hộp số lái kiểu trục vít - cung răng 16

Hình 1 - 5: Hộp số lái kiểu trục vít - con lăn 17

Hình 1 - 6: Hộp số lái kiểu trục vít – đòn lắc 18

Hình 1 - 7: Hộp số lái kiểu trục vít - êcu - bi - cung răng 18

Hình 1 - 8: Hộp số lái bánh răng - thanh răng 19

Hình 1 - 9: Cấu tạo hình thang lái điển hình 21

Hình 1 - 10: Kết cấu của thanh nối bên 22

Hình 1 - 11: Sơ đồ trụ đứng nghiêng trong mặt phẳng ngang 25

Hình 1 - 12: Các giai đoạn của quá trình quay vòng 26

Hình 1 - 13: Sơ đồ mô phỏng bán kính quay vòng 27

Hình 1 - 14: Sơ đồ động học của xe ôtô 28

Hình 1 - 15: Các yếu tố góc đặt bánh xe 29

Hình 1 - 16: Góc camper 30

Hình 1 - 18: Tác dụng của góc camper dương 31

Hình 1 - 19: Tác dụng của góc camper âm 32

Hình 1 - 20: Góc caster và khoảng caster 33

Hình 1 - 21: Góc caster dương và âm 34

Hình 1 - 22: Ổn định chạy trên đường thẳng nhờ có khoảng caster 34

Hình 1 - 23: Hồi vị bánh xe nhờ khoảng caster 35

Hình 1 - 24: Góc kingpin 36

Hình 1 - 25: Giảm lực đánh lái 37

Hình 1 - 26: Giảm phản hồi và kéo lệch sang một phía 37

Hình 1 - 27: Độ chụm độ choãi 38

Hình 1 - 28: Góc quay vòng 39

Hình 2 - 1: Hệ thống lái cơ học loại trục vít – bánh vít 41

Hình 2 - 2: Hệ thống lái cơ học loại thanh răng – bánh răng 42

Hình 2 - 3: Hệ thống lái có trợ lực 44

Hình 2 - 4: Bộ trợ lực lái loại khí 45

Hình 2 - 5: Hệ thống lái trợ lực thủy lực 46

Hình 2 - 6: Sơ đồ hệ thống lái trợ lực thủy lực loại bánh răng xoắn - thanh răng 47 Hình 2 - 7: Cấu tạo bộ trợ lực 48

Hình 2 - 8: Cấu tạo bơm trợ lực cánh gạt 49

Hình 2 - 9: Sơ đồ nguyên lý bơm trợ lực cánh gạt 50

Hình 2 - 10: Một số bộ phận của hệ thống lái trợ lực điều khiển điện tử 51

Hình 2 - 11: Sơ đồ bộ trợ lực lái điều khiển điện tử 52

Hình 2 - 12: Bộ trợ lực điện 52

Hình 2 - 13: Các chi tiết của bộ trợ lực lái 53

Hình 2 - 14: Đồ thi thể hiện sự thay đổi tỷ số truyền 55

Hình 2 - 15: Vết của các bánh xe ở hệ thống lái trợ lực điều khiển điện tử 55

Hình 2 - 16: Vết của các bánh xe ở hệ thống lái không có điều khiển bằng điện tử

56

Hình 3 - 1: Mô hình tính toán động lực học cho ô tô 58

Hình 3 - 2: Mô hình hệ thống lái 61

Hình 3 - 3: Mô hình phẳng một vệt của ô tô 63

Hình 3 - 4: Quan hệ động học của mô hình một vết 65

Hình 3 - 5: Đồ thị đặc tính tốc độ vận tốc góc quay thân xe 70

Hình 3 - 6: Đồ thị đặc tính tốc độ của góc lệch bên 72

Hình 3 - 7: Đồ thị đặc tính tốc độ của gia tốc bên 74

Hình 3 - 8: Đường Đặc tính tốc độ của (β´ε v)t (1/s)/rad 75

Hình 3 - 9: Đường Đặc tính tốc độ của (β α v)t rad/rad 76

Hình 3 - 10: Đường Đặc tính tốc độ của (β´y v)t [(m/s 2 )/rad] 76

Hình 3 - 11: Thời gian quá độ và thời gian lên 84

Hình 3 - 12: Độ quá điều chỉnh 84

Hình 3 - 13: Đặc tính quá độ của vận tốc góc quay thân xe 85

Hình 3 -14: Đặc tính quá độ của góc lệch hướng chuyển động 86

Hình 3 - 15: Đặc tính quá độ của gia tốc bên 87

LỜI NÓI ĐẦU

Ô tô là một phương tiện giao thông đang dần dần phổ biến ở nước

ta Nó giữ vai trò quan trọng trong mạng lưới giao thông đường bộ Từkhi ra đời cho đến nay, ngành công nghiệp ô tô đã trải qua nhiều giaiđoạn phát triển cùng với sự phát triển của khoa học kĩ thuật

Với sự tăng trưởng tốc độ và mật độ chuyển động của ô tô ngày nayđòi hỏi ô tô phải đảm bảo tính điều khiển ở mức độ cao Nhằm đảm bảotính an toàn khi chuyển động của xe, hạn chế tối đa tai nạn giao thôngxảy ra

Hệ thống lái là một trong những hệ thống hết sức quan trong trên ô

tô Nó quyết định tới tính điều khiển và quỹ đạo chuyển động của ô tô

Đề tài “ Nghiên cứu, phân tích và đánh giá động lực học hệ thốnglái ô tô” Với mục đích xem xét, đánh giá động lực học ô tô khi quayvòng Từ đó đưa ra những lời khuyên để đảm bảo quỹ đạo chuyển động

và ổn định cho xe khi chuyển hướng

Nội dung đề tài :

Chương I: Tổng quan về hệ thống lái

Trình bày về nhiệm vụ, phân loại, yêu cầu, cấu tạo, nguyên lý hoạtđộng chung của một hệ thống lái Đưa ra một số bộ phận chính và cácthông số cơ bản của hệ thống lái

Chương II: Một số hệ thống lái thông dụng

Trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động một số hệ thống lái cũngnhư từng bộ phận của hệ thống lái đó Hệ thống lái thuần túy cơ khí, hệthống lái có trợ lực và hệ thống lái trợ lực có điều khiển

Chương III: Đánh giá động lực học quay vòng ô tô

Xây dựng phương trình động lực học khi xe quay vòng, xác định cáchàm truyền cho các tham số chuyển vị của xe Kết hợp với việc lập trình

trên phần mềm Matlab để đánh giá động lực học quay vòng tĩnh và độngcủa ô tô.

Sau quá trình thực hiện, với sự cố gắng nỗ lực của bản thân và sựgiúp đỡ chỉ bảo tận tình của thầy giáo Th.S Phạm Thế Minh đồ án đãđược hoàn thành Song do thời gian và trình độ bản thân còn hạn chếnên đồ án không tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong nhận được ýkiến chỉ bảo của các thầy cô giáo cùng toàn thể các bạn để đồ án đượchoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Th.S Phạm Thế Minh cùngtoàn thể thầy cô giáo trong bộ môn Kỹ Thuật Máy đã tạo điều kiện giúp

đỡ em hoàn thành đồ án này

Hà nội, Tháng 5 năm 2010 Sinh viên thực hiện

Nguyễn Như Huế

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LÁI.

1.1 Nhiệm vụ yêu cầu và phân loại

1.1.1 Nhiệm vụ

Hệ thống lái dùng để giữ đúng hướng chuyển động hoặc thay đổihướng chuyển động của ô tô khi cần thiết Có thể thay đổi hướngchuyển động bằng cách:

+ Thay đổi phương chuyển động của bánh xe dẫn hướng (hình1-1(a))+ Thay đổi mô men xoắn ở bánh sau chủ động (hình1-1(b))

+ Kết hợp đồng thời cả hai phương pháp trên

Phương pháp quay các bánh xe dẫn hướng để quay vòng xe cơ giớiđược sử dụng phổ biến nhất hiện nay Phương pháp thay đổi hướngmomen ở các bánh xe chủ động thường áp dụng cho các loại xe cơ giớibánh xích Đối với xe bánh xích, có thể kết hợp việc truyền momen khácnhau đến các bánh chủ động ở hai bên của xe với việc hãm các bánh xephía gần tâm quay vòng để quay vòng trên diện tích rất nhỏ, thậm chí cóthể quay vòng xe tại chỗ

Theo quan điểm về an toàn chuyển động thì hệ thống lái là hệ thốngquan trọng nhất

Hình 1 - 1: Các phương pháp quay vòng xe cơ giới

1.1.2 Yêu cầu của hệ thống lái

Hệ thống lái phải đảm bảo các yêu cầu sau:

+ Đảm bảo cho xe quay vòng ngoặt, trong thời gian ngắn, trên diện tíchbé

+ Đảm bảo động học quay vòng đúng cho các bánh xe dẫn hướng tránhtrượt lê gây mòn lốp

+ Các bánh xe dẫn hướng khi ra khỏi đường vòng cần phải tự động quay

về trạng thái chuyển động thẳng, hoặc là để quay bánh xe về trạng tháichuyển động thẳng thì cần đặt lực lên vành tay lái nhỏ hơn khi xe đi vàođường vòng

+ Hệ thống lái phải có khả năng ngăn được các va đập của các bánh xedẫn hướng lên các vành tay lái

+ Hệ thống lái không được có độ dơ lớn Với xe có tốc độ lớn hơn100Km/h độ dơ vành tay lái cho phép không vượt quá 18 độ Với xe cótốc độ lớn nhất nằm trong khoảng (25 – 100)Km/h độ dơ vành tay láicho phép không vượt quá 27 độ

+ Giữ cho xe chuyển động thẳng ổn định

+ Đặt cơ cấu lái lên phần được treo của ô tô (để kết cấu của hệ thốngtreo không ảnh hưởng đến cơ cấu lái), cấu tạo đơn giản điều khiển nhẹnhàng và thuận lợi

+ Với hệ thống lái có trợ lực: Khi hệ thống trợ lực có sự cố hư hỏng vẫn

có thể điều khiển được xe Đảm bảo an toàn bị động của xe, không gâynên tổn thương cho người sử dụng khi bị đâm chính diện

1.1.3 Phân loại hệ thống lái

a) Phân loại theo cách bố trí cơ cấu lái

+ Loại cơ cấu lái đặt bên trái (dùng cho các nước có luật giao thông quiđịnh chiều chuyển động là bên phải, đại đa số các nước có luật giaothông đi bên phải)

+ Loại cơ cấu lái đặt bên phải (dùng cho các nước có luật giao thông quiđịnh chiều chuyển động là bên trái)

b) Phân loại theo kết cấu của cơ cấu lái

+ Loại trục vít- bánh vít (với cung răng con lăn và trục vít)

+ Loại trục vít đòn lắc

+ Loại liên hợp (trục vít - ê cu - cung răng)

+ Loại bánh răng - thanh răng

c) Theo số bánh dẫn hướng

+ Hệ thống lái với các bánh xe dẫn hướng ở cầu trước

+ Hệ thống lái với các bánh xe dẫn hướng ở cầu sau

+ Hệ thống lái với các bánh xe dẫn hướng ở tất cả các cầu

d) Theo nguyên lý làm việc của bộ phận trợ lực lái.

+ Loại trợ lực lái thủy lực

+ loại trợ lực lái loại khí (khí nén hoặc chân không)

+ Loại trợ lực lái cơ khí

+ Loại trợ lực lái dùng điện

Ngoài ra hệ thống lái còn được phân ra: Hệ thống lái có trợ lực và

hệ thống lái không trợ lực Trong hệ thống lái có trợ lực lại được phân

ra hệ thống lái trợ lực không có điều khiển và hệ thống lái trợ lực cóđiều khiển điện tử

1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động chung của hệ thống lái

1.2.1 Cấu tạo

Hình 1 - 2: Sơ đồ cấu tạo chung của hệ thống lái 1.Vành tay lái (vô lăng) 6.Trụ đứng(chốt chuyển hướng) 2.Trục lái 7.Đòn quay (cam quay)

3.Ống bọc trục lái 8.Thanh bên của hình thang lái 4.Cơ cấu lái 9.Khớp cầu nối

5.Tay biên 10.Đòn ngang (thanh ngang)

11.Đòn kéo dọc

1.2.2 Nguyên lý hoạt động

Vành tay lái có dạng hình tròn, lực của người lái tác dụng lên vànhtay lái tạo ra mô men quay để hệ thống lái làm việc Trục lái thường làmột đòn dài (rỗng hoặc đặc) để truyền mô men quay từ vành tay lái tới

cơ cấu lái Cơ cấu lái có nhiệm vụ biến chuyển động quay tròn của vànhtay lái thành chuyển động lắc của tay biên trong mặt phẳng thẳng đứng

và đảm bảo tỉ số truyền theo yêu cầu cần thiết Cơ cấu lái được bắt chặtlên xà dọc (phần được treo của ô tô) Dẫn động lái (gồm:11,7,8,9,10) cónhiệm vụ truyền chuyển động từ cơ cấu lái xuống bánh xe dẫn hướngđảm bảo tỷ số truyền nhất định và chủ yếu giữ được động học quay vòngđúng của ô tô

Khi người lái quay vô lăng (1) để điều khiển xe, qua cơ cấu lái (4)làm cho tay biên (5) quay một góc thông qua đòn kéo dọc (11) và đònquay cam (7) làm bánh xe dẫn hướng bên trái dịch chuyển qua các đòn(8,10) của hình thang lái làm cho bánh xe dẫn hướng bên kia cũng dịchchuyển quanh trụ đứng, lệch phương chuyển động theo ý muốn củangười lái

1.3 Các bộ phận chính của hệ thống lái

1.3.1 Trục lái

Hình 1 - 3: Cấu tạo chung của trục lái

Trục lái bao gồm trục lái chính truyền chuyển động quay của vô lăngtới 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 Vôlăng được xiết vào trục lái bằng một đai ốc Trong trục lái có một cơcấu hấp thụ va đập Cơ cấu này sẽ hấp thụ lực đẩy tác dụng lên ngườilái khi xe bị tai nạn Trục lái được gá với thân xe qua một giá đỡ kiểu

dễ vỡ do vậy khi xe bị đâm trục lái có thể dễ dàng bị phá sập Đầu dướicủa trục lái chính nối với cơ cấu lái bằng khớp mềm hoặc khớp các đăng

để giảm thiểu việc truyền chấn động từ mặt đường qua cơ cấu lái lên vôlăng Cùng với cơ cấu hấp thụ va đập, trục lái chính trên một số xe còn

có thể có một số kết cấu dùng để khống chế và điều chỉnh hệ thống lái:

ví dụ cơ cấu khóa tay lái nghiêng, cơ cấu trượt tay lái

1.3.2 Cơ cấu lái

1.3.2.1 Chức năng

Cơ cấu lái hay còn gọi là hộp số lái có chức năng :

+ Biến chuyển động quay của trục lái thành chuyển động ngang của dẫnđộng lái

+ Tăng lực tác động của người lái lên vành tay lái để thực hiện quayvòng xe nhẹ nhàng hơn

Cơ cấu lái hoạt động tương tự như một hộp số với hai bộ phận cơbản được gọi quy ước là trục quay của cơ cấu lái và trục lắc của cơ cấulái Trục quay là đầu vào của cơ cấu lái, nó trực tiếp liên kết với đầudưới của trục lái và thực hiện chuyển động quay theo chuyển động củatrục lái Trục lắc là đầu ra của hộp số lái nó liên kết với đòn lắc chuyểnhướng của dẫn động lái

1.3.2.2 Một số cơ cấu lái thường dùng

Căn cứ vào đặc điểm cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cặp truyềnđộng trục quay – trục lắc có thể phân biệt các kiểu cơ cấu lái sau:

Cơ cấu lái trục vít - cung răng:

Hình 1 - 4: Hộp số lái kiểu trục vít - cung răng 1-Trục vít , 2-Cung răng, 3- Trục lắc

Loại cơ cấu lái trục vít cung răng có ưu điểm là: Giảm trọng lượng

và kích thước so với trục vít - bánh răng

Cơ cấu lái kiểu trục vít – con lăn:

Trục quay (liên kết với trục lái) của hộp số lái kiểu trục vít - conlăn có cấu tạo giống một trục vít vô tận Trên trục lắc của hộp số lái cómột bộ phận gọi là con lăn Con lăn giống một bánh xe có ren phíangoài Các ren của con lăn ăn khớp với các ren của trục vít Khi trục vítquay, con lăn sẽ quay quanh trục của nó đồng thời chuyển động dịchchuyển dọc theo trục của trục vít Kết quả của các chuyển động đó làchuyển động xoay của trục lắc

Hình 1 - 5: Hộp số lái kiểu trục vít - con lăn

1-Trục vít, 2- Con lăn, 3- Đòn chuyển hướng của dẫn động lái

Hộp số lái kiểu trục vít - con lăn được sử dụng khá phổ biến hiệnnay Ưu điểm của hộp số lái kiểu này là có kết cấu gọn, trục vít và conlăn có độ bền cao do ma sát giữa chúng là ma sát lăn và ứng suất nhỏnhờ có nhiều ren của con lăn và trục vít tiếp xúc với nhau, hiệu suấtcao, dễ điều chỉnh khe hở giữa các bộ phận liên kết trong hộp số lái

Cơ cấu lái kiểu trục vít – đòn lắc:

Hộp số lái kiểu trục vít - đòn lắc có trục quay của nó hoạt độngtương tự như một trục vít nhưng có mặt cắt ngang giống một trục cam

do các rãnh có độ sâu thay đổi theo chu vi, bởi vậy hộp số lái kiểu nàycòn gọi là kiểu cam đòn lắc Trên trục lắc của hộp số lái có gắn chi tiếtgọi là đòn lắc, trên đòn lắc có các chốt Trục quay và trục lắc liên kếtvới nhau thông qua các chốt Khi trục vít quay theo trục lái, các chốt sẽtrượt lên, xuống trong rãnh của trục vít và làm cho đòn lắc xoay trái,phải

Hình 1 - 6: Hộp số lái kiểu trục vít – đòn lắc 1- Trục vít, 2- Đòn lắc, 3- Chốt 4- Trục lắc, 5- Đòn lắc chuyển hướng

Cơ cấu lái kiểu trục vít - đòn quay cho phép dễ dàng thay đổi tỷ sốtruyền theo yêu cầu, nhưng có hiệu suất thấp và các chốt của kiểu hộp

số lái này thường mòn nhanh Kiểu hộp số lái này ngày càng ít được sửdụng trên các loại ôtô đời mới

Cơ cấu lái kiểu trục vít - ê cu – bi - cung răng:

Hình 1 - 7: Hộp số lái kiểu trục vít - êcu - bi - cung răng 1- Trục vít, 2- Ecu, 3- Cung răng, 4- Trục lắc

5- Bi, 6- Đòn lắc chuyển hướng

Hộp số lái kiểu trục vít - ecu - bi - cung răng có trục quay là mộttrục vít, còn trục lắc tương tự như trục lắc của hộp số lái kiểu trục vít-cung răng, nhưng cung răng không ăn khớp với trục vít mà nhận chuyểnđộng từ trục vít thông qua ecu và các viên bi Ecu có các răng thẳngphía ngoài và các rãnh phía trong tương ứng với các rãnh trên trục vít.Các viên bi nằm trong rãnh giữa ecu và trục vít và trong ống dẫn baoquanh ecu Khi trục vít quay các viên bi trong rãnh giữa trục vít và ecu

sẽ đẩy nhau và luân chuyển trong ống dẫn để quay trở lại rãnh, đồngthời làm cho ecu dịch chuyển dọc theo trục vít Thông qua các răng củaecu và cung răng, chuyển động tĩnh tiến của ecu được biến đổi thànhchuyển động xoay của trục lắc

Như trên hình vẽ đã thể hiện, chiếc êcu ăn khớp với trục vít nhờcác viên bi tròn Các bi này có hai tác dụng: một là nó giảm ma sát giữacác chi tiết nên hiệu suất cao Thứ hai, nó làm giảm độ dơ của cơ cấu

Độ dơ xuất hiện khi đổi chiều tay lái, nếu không có các viên bi, cácrăng sẽ rời nhau ra trong chốc lát gây nên độ dơ của tay lái

Kiểu bánh răng - thanh răng:

Hộp số lái kiểu bánh răng - thanh răng có trục quay (đầu vào)được chế tạo giống một bánh răng trên đoạn trục liên kết trục lắc (đầura) Trục lắc là một thanh răng thẳng Hai đầu của thanh răng liên kếtvới hai thanh nối bên của dẫn động lái thông qua các khớp cầu Cácrăng trên bánh răng và thanh răng liên kết với nhau Khi bánh răngquay, thanh răng sẽ chuyển động tịnh tiến trên mặt phẳng ngang sangtrái hoặc phải tuỳ theo chiều quay của vành tay lái Trong dẫn động láivới hộp số lái kiểu bánh răng - thanh răng không có đòn lắc chuyểnhướng mà thanh răng trực tiếp truyền chuyển động ngang cho các thanhnối.

1.3.3 Dẫn động lái

Dẫn động lái gồm hệ thống các đòn, các thanh liên kết với nhau đểtruyền lực từ cơ cấu lái đến các bánh xe điều khiển, đồng thời đảm bảocho các bánh xe của ô tô quay vòng với động học đúng Bộ phận quantrọng của dẫn động lái là hình thang lái, có nhiệm vụ đảm bảo động họccác bánh xe dẫn hướng của ô tô làm cho lốp xe không bị trượt, lê khilái, giảm mòn lốp Kết cấu của hình thang lái phải phù hợp với bộ phậndẫn hướng của hệ thống treo để khi bánh xe dao động thẳng đứng thìkhông ảnh hưởng đến động học của dẫn động lái

Cấu tạo hình thang lái điển hình (Hình 1-9)

+ Đòn lắc chuyển hướng là chi tiết liên kết với trục lắc của hộp số lái và

truyền chuyển động của trục lắc đến phần còn lại của dẫn động lái.Thông thường một đầu của đòn lắc chuyển hướng liên kết với trục lắccủa hộp số lái bằng then hoa, đầu còn lại liên kết với một đầu của thanhnối giữa bằng khớp cầu

Hình 1 - 9: Cấu tạo hình thang lái điển hình 1,4 -Đòn lắc chuyển hướng, 2-Thanh nối giữa, 3-Thanh nối bên,

5- Đòn lắc phụ, 6- Khớp cầu, 7- Vú mỡ, 8- Vòng đệm

+ Đòn lắc phụ cũng có một đầu liên kết với một đầu của thanh nối giữa

bằng khớp nối cầu, đầu còn lại được lắp trên khung ôtô thông qua trục.Đòn lắc phụ cũng thực hiện chuyển động lắc hoàn toàn giống chuyểnđộng của đòn lắc chuyển hướng nhưng không truyền chuyển động đócho bất cứ bộ phận nào Nó có chức năng đỡ thanh nối giữa ở độ caonhư tại đòn lắc chuyển hướng để đảm bảo động học của hệ thống lái

+ Thanh nối giữa có chức năng liên kết tất cả các bộ phận khác của dẫn

động lái với nhau Hai đầu của thanh nối giữa là hai ổ đỡ chốt cầu để

liên kết với đòn lắc chuyển hướng và đòn lắc phụ Phía giữa thanh nốigiữa có hai lỗ để liên kết với hai thanh nối bên bằng các khớp cầu.

+ Thanh nối bên là bộ phận trực tiếp truyền chuyển động cho đòn

chuyển hướng trên ngỗng quay của bánh xe dẫn hướng Thông thườngmỗi cơ cấu dẫn động lái có hai thanh nối bên, mỗi thanh nối bên đượccấu thành từ ba đoạn được gọi là đầu trong, đầu ngoài, và đoạn điềuchỉnh Đầu ngoài liên kết với đòn chuyển hướng Đầu trong liên kết vớithanh nối giữa, thanh răng hoặc một bộ phận khác của ôtô tuỳ thuộc vàokiểu dẫn động lái Đoạn điều chỉnh dùng để thay đổi chiều dài toàn bộcủa thanh nối bên để điều chỉnh hình học lái trong quá trình kiểm tra,bảo trì gầm ôtô mà không cần phải tháo rời dẫn động lái

Hình 1 - 10: Kết cấu của thanh nối bên 1- Đầu ngoài của thanh nối bên, 2- Kẹp đàn hồi, 3- Đầu trong của thanh nối bên, 4- Ống điều chỉnh, 5-Bulông điều

chỉnh a) Kiểu ống, b) Kiểu bulông

a)

b)

Với hình (H1-10a), ống điều chỉnh có ren, các đầu của đầu trong vàđầu ngoài của thanh nối bên cũng có ren, trong đó có một đầu ren trái,còn đầu kia có ren phải Khi cả hai đầu đã được vặn vào ống điều chỉnh,nếu xoay ống điều chỉnh sẽ làm cho chiều dài toàn bộ của thanh nối bêntăng lên hoặc giảm đi tuỳ theo chiều xoay của ốc điều chỉnh Các kẹpđàn hồi có tác dụng ngăn không cho ống điều chỉnh tự xoay trong quátrình ôtô vận hành

Với hình (H1-10b) bulông điều chỉnh có ren, các đầu trong và đấungoài của thanh nối bên cũng có ren, trong đó có một ren trái và mộtđầu có ren phải Xoay bulông điều chỉnh sẽ làm thay đổi chiều dài toàn

bộ thanh nối bên

1.4 Các thông số cơ bản của hệ thống lái

1.4.1 Tỉ số truyền của hệ thống lái

Trong hệ thống lái có các tỉ số truyền sau:

+ Tỉ số truyền của cơ cấu lái iω

+ Tỉ số truyền của dẫn động lái id

+ Tỉ số truyền theo góc của hệ thống lái ig

+ Tỉ số truyền lực của hệ thống lái il

Tỉ số truyền của cơ cấu lái iω

Tỉ số của góc quay của vô lăng chia cho góc quay của đòn lắcchuyển hướng Tùy theo cơ cấu lái iω có thể không đổi hoặc thay đổi Ởloại cơ cấu lái có tỉ số truyền thay đổi, tỉ số truyền có thể tăng hay giảmkhi quay vành tay lái ra khỏi vị trí trung gian

Loại cơ cấu lái có tỉ số truyền thay đổi theo xu hướng giảm khiquay vành tay lái ra khỏi vị trí trung gian được sử dụng phổ biến Tỉ sốtruyền này có giá trị cực đại khi vành tay lái ở vị trí trung gian Nhưvậy đảm bảo được ô tô chuyển động thẳng ở vận tốc cao an toàn hơn,tránh quay vòng ngẫu nhiên Vì khi vành tay lái quay đi một góc bé sẽlàm cho bánh dẫn hướng quay ít Đồng thời cũng làm giảm ảnh hưởngcủa những va đập từ bánh xe dẫn hướng lên vành tay lái Khi quay vànhtay lái ra xa vị trí trung gian thì tỉ số truyền giảm nhanh, lúc này quayvành tay lái một góc nhỏ cũng có thể làm cho bánh xe dẫn hướng quaymột góc tương đối lớn do đó xe có thể quay vòng linh hoạt

Đối với hệ thống lái trang bị trợ lực lái thì tỉ số truyền không làvấn đề quan trọng Vì thao tác cơ cấu lái ở đây chủ yếu dùng để đóng

mở các van của bộ trợ lực lái khiến nó làm việc Để đề phòng hỏng bộtrợ lực lái thì tỉ số truyền vẫn phải chọn đủ lớn để người lái vẫn đủ sứclái xe

Tỉ số truyền của dẫn động lái id

Nó phụ thuộc vào kích thước và quan hệ của các cánh tay đòn.Trong quá trình bánh dẫn hướng quay vòng giá trị cánh tay đòn của cácđòn dẫn động sẽ thay đổi Trong các kết cấu hiện nay id thay đổi khôngnhiều lắm

id = 0,85 ÷ 1,1

Tỉ số truyền theo góc của hệ thống lái i g

Tỷ số của góc quay vành tay lái lên góc quay của bánh dẫn hướng Tỉ

số truyền này bằng tích số của tỉ số truyền của cơ cấu lái iω với tỉ sốtruyền của dẫn động lái

ig = iω id

Tỉ số truyền lực của hệ thống lái il

Hình 1 - 11: Sơ đồ trụ đứng nghiêng trong mặt phẳng ngang

Tỷ số của tổng lực cản khi ô tô quay vòng chia cho lực đặt trênvành tay lái cần thiết để khắc phục được lực cản quay vòng

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

Ml: mômen lái đặt trên vành tay lái

r: bán kính vành tay lái

Như vậy:

i l=M c r

M l c

Bỏ qua các lực ma sát ta có : M c

M l=i g và do đó

i l=r

c i g

Bán kính vành tay lái ở đa số ô tô hiện nay là 200 ÷ 250mm và tỉ

số truyền góc ig không vượt quá 25 vì vậy il không được chọn lớn quá.Cánh tay đòn c cũng không nên giảm nhiều vì giảm nhiều sẽ làm cho ô

tô chuyển động không ổn định vì bánh xe nghiêng trong mặt phẳngngang nhiều quá, il hiện nay chọn trong khoảng từ 100 ÷ 300

Nếu tỉ số truyền il đòi hỏi phải lớn hơn thì cần thiết phải đặt bộ trợlực tay lái trong hệ thống lái

1.4.2 Điều kiện không trượt khi quay vòng

Quá trình quay vòng của xe được chia thành ba giai đoạn :

Hình 1 - 12: Các giai đoạn của quá trình quay vòng

+ Giai đoạn I –Xe bắt đầu đi vào đường vòng (đoạn 1-2 trên hình 1-12 )đặc trưng bằng bán kính quay vòng giảm dần (R # const ).

+ Giai đoạn II – Là giai đoạn xe quay vòng đều (đoạn 2-3 trên hình 12) đặc trưng bằng bán kính quay vòng không đổi (R = const )

1-+ Giai đoạn III –Xe đi qua khỏi đường vòng (đoạn 3-4 trên hình 1-12 )đặc trưng bằng bán kính quay vòng tăng dần (R # const ) và ở cuối giaiđoạn này thi xe trở lại trạng thái chuyển động thẳng (R =∞ )

Trong trường hợp này ta chỉ khảo sát động học và động lực họcquay vòng đều của xe với bán kính quay vòng R = const và vận tốc quay

vòng ω = const.

Kết quả nghiên cứu chuyển động của các vật rắn cho thấy rằng, đểcác bánh xe ôtô không bị trượt khi quay vòng thì các đường thẳng điqua trục các bánh xe phải cắt nhau tại một điểm Điểm này được gọi làtâm quay vòng tức thời của xe ( điểm O trên hình 1-12 ,1-14 )

Hình 1 - 13: Sơ đồ mô phỏng bán kính quay vòng

Hình 1 - 14: Sơ đồ động học của xe ôtô

bánh xe không trượt khi quay vòng là số lượng cầu chủ động phải bằngn-1.

Trong đó α1,α2 – Góc quay của các bánh xe dẫn hướng phía ngoài vàphía trong

B- Khoảng cách giữa hai đường tâm trục

L- Chiều dài cơ sở của xe

Góc đặt bánh xe có tác dụng làm cho xe vận hành ổn định trênđường thẳng, chạy theo đường vòng và khả năng phục hồi để chạy trênđường thẳng, khả năng làm mềm các chấn động truyền từ bánh xe đến

hệ thống treo Nếu góc đặt bánh xe không hợp lý thì sẽ xuất hiện cácvấn đề như lái bị chém góc, lái không ổn định, trả lái trên đường vòngkém và tuổi thọ của lốp xe giảm

1.4.3.1 Góc doãng (góc camper)

Khái niệm: Góc camper là góc bánh xe nghiêng về bên phải hay

nghiêng về trái đối với đường thẳng góc với mặt đường Khi phần trêncủa bánh xe nghiêng ra phía ngoài thì gọi là “Camber dương” Ngượclại, khi bánh xe nghiêng vào trong thì gọi là “Camber âm”

Hình 1 - 16: Góc camper

Trong các kiểu xe trước đây, các bánh xe thường có camber dương

để tăng độ bền của trục trước, và để cho lốp xe tiếp xúc thẳng góc vớimặt đường nhằm ngăn ngừa hiện tượng mòn không đều vì phần tâmđường thường cao hơn phần rìa đường Tuy nhiên nếu xe có góc camberdương hoặc âm quá lớn thì sẽ làm cho lốp xe mòn không đều Nếu bánh

xe có độ camber âm quá lớn thì phần phía trong của lốp xe bị mònnhanh, còn nếu bánh xe có độ camber dương quá lớn thì phần phía ngoàicủa lốp xe bị mòn nhanh

Trong các kiểu xe hiện đại, hệ thống treo và trục có độ bền cao hơntrước đây, và mặt đường lại bằng phẳng nên bánh xe không cần nghiêngdương nhiều như trước nữa Vì vậy góc camber được giảm xuống gầnđến “không” (một số xe có góc camber bằng không) Trên thực tế, bánh

xe có camber âm đang được áp dụng phổ biến ở các xe du lịch để tăngtính năng chạy đường vòng của xe

Tác dụng của góc camper dương :

+ Giảm tải theo phương thẳng đứng : Trong trường hợp góc camberbằng không, tải trọng tác dụng lên trục bánh xe theo hướng F’ Khi cócamber dương, tải trọng F’ này chuyển thành lực F tác dụng theo hướngcam lái Nhờ thế, mômen tác dụng lên trục bánh xe và cam lái giảmxuống

+ Ngăn ngừa sự tụt bánh xe : Tải trọng F tác dụng lên bánh xe có thểphân chia thành hai thành phần F1 và F2 F2 là lực theo chiều trục và có

xu hướng đẩy bánh xe vào phía trong, giữ cho bánh xe không bị trượt rakhỏi trục

Hình 1 - 18: Tác dụng của góc camper dương

+ Ngăn cản góc camper âm ngoài ý muốn do tải trọng gây ra : Khichất đầy tải lên xe, phía trên các bánh xe có xu hướng nghiêng vào

trong do sự biến dạng của chi tiết của hệ thống treo và các bạc tươngứng Góc doãng dương giúp chống lại hiện tượng này

+ Giảm lực đánh tay lái : Khi bánh xe quay sang phải hay trái quanhtrục quay đứng với khoảng lệch là bán kính Khoảng lệch lớn sẽ sinh ramomen lớn quanh trục quay đứng do sự cản lăn của lốp, vì vậy làm tănglực đánh tay lái Do đó khi khoảng cách này nhỏ thì giảm lực đánh taylái.(hình 1-25)

Tác dụng của góc camper âm :

Giả sử có một tải trọng thẳng đứng tác dụng lên một bánh xenghiêng thì sẽ sinh ra một lực theo phương nằm ngang Lực này đượcgọi là “lực đẩy ngang”, nó tác động theo chiều vào trong khi bánh xe cócamber âm, và theo chiều ra ngoài xe khi bánh xe có camber dương Khi

xe chạy trên đường vòng, lực ly tâm làm cho xe nghiêng ra phía ngoài,

vì tác động của các lò xo của hệ thống treo nên camber của lốp xe trởnên dương hơn, lực quay vòng bị giảm xuống

Trường hợp này nếu xe có góc camber âm thì bánh xe sẽ được giữkhông bị nghiêng dương khi chạy vào đường vòng và duy trì lực quayvòng thích hợp

Hình 1 - 19: Tác dụng của góc camper âm

Góc camper bằng không

Góc camper cũng có thể bằng không Lý do chính để đặt góccamper bằng không là để ngăn cản sự mòn không đều của lốp Cả góccamper dương hay âm đều làm mòn lốp nhanh Điều này dễ hiểu khi lốpđặt nghiêng trên đường, tải trọng sẽ tập trung một bên lốp

1.4.3.2 Góc nghiêng dọc (góc caster)

Khái niệm : Góc Caster là góc nghiêng về phía trước hoặc phía sau của

trục xoay đứng Góc caster được xác định bằng góc nghiêng giữa trụcxoay đứng và đường thẳng đứng, nhìn từ cạnh xe Khi trục xoay đứngnghiêng về phía sau thì được gọi là “góc caster dương”, còn trụcnghiêng về phía trước thì được gọi là “góc caster âm”

Hình 1 - 20: Góc caster và khoảng caster

Khoảng cách từ giao điểm giữa đường tâm trục xoay đứng và mặtđường đến tâm điểm tiếp xúc giữa lốp xe với mặt đường được gọi là

“khoảng caster” của trục quay đứng Góc caster có ảnh hưởng đến độ ổnđịnh khi xe chạy trên đường thẳng, còn khoảng caster thì ảnh hưởng đến

có góc caster dương lớn thì độ ổn định trên đường thẳng tăng lên, nhưnglại khó chạy trên đường vòng.

Hình 1 - 21: Góc caster dương và âm A- Góc nghiêng dọc caster dương B- Góc nghiêng dọc caster âm

Ảnh hưởng của góc caster :

+ Ổn định chạy thẳng : Đối với những xe có góc caster dương, độ ổnđịnh khi chạy trên đường thẳng sẽ tăng Vì khi trục xoay đứng quay để

xe chạy vào đường vòng, nếu các bánh xe có góc caster dương thì lốp sẽ

bị nghiêng đi so với mặt đường và tạo ra mômen kích, có xu hướng nângthân xe lên Mômen kích này đóng vai trò như một lực hồi vị bánh xe,

có xu hướng đưa thân xe trở về vị trí nằm ngang và duy trì độ ổn địnhtrên đường thẳng của xe

Hình 1 - 22: Ổn định chạy trên đường thẳng nhờ có khoảng caster

+ Làm tăng khả năng quay trở lại của hai bánh xe dẫn hướng: bánh xe

có góc caster dương thì giao điểm giữa đường tâm trục xoay đứng vớimặt đường sẽ nằm phía trước tâm điển tiếp xúc giữa lốp xe với mặtđường Vì lốp xe được kéo về phía trước nên lực kéo này sẽ lấn át cáclực có xu hướng làm cho bánh xe mất ổn định, giữ cho bánh xe chạy ổnđịnh theo đường thẳng

vị bánh xe cũng lớn Vì vậy, khoảng caster càng lớn thì độ ổn định trênđường thẳng và lực hồi vị càng lớn

+ Góc caster dương đến bánh xe và thân xe: Với góc caster dươngcho cả hai bánh xe trước, thân sẽ dạt ra ngoài khúc quanh Đối vớitrường hợp caster dương, khi lái xe về bên phải, bên trái của xe xụmxuống trong lúc mé bên phải của xe lại nhấc lên cao làm cho xe dạt ra

Hình 1 - 23: Hồi vị bánh xe nhờ khoảng caster

ngoài vòng quay Đặc tính này không làm thoả mãn được sự an toàn của

xe khi qua đoạn đường cong, vì nó cộng hưởng thêm lực ly tâm rất dễlật xe

+ Góc caster âm đến bánh xe và thân xe: Nếu cả hai bánh trước đều

có góc caster âm thì thân xe sẽ dạt vào phía trong vòng quay Đối vớitrường hợp nghiêng dọc âm, khi lái xe về bên phải, bên trái của xe đượcnâng lên trong lúc mé bên phải của xe xụm xuống Có nghĩa là thân xedạt vào phía trong của vòng quay, động tác này chống trả lại với lực lytâm muốn đẩy xe ra ngoài của vòng quay Kiểu thiết kế này tạo được antoàn cho xe khi vòng qua một khúc quanh với vận tốc lớn, nhất là vớiôtô đua cao tốc

1.4.3.3 Góc nghiêng ngang của chốt chuyển hướng (góc kingpin)

Khái niệm :

Hình 1 - 24: Góc kingpin

Góc kingpin của chốt chuyển hướng, còn gọi là góc nghiêng ngangcủa chốt chuyển hướng, là góc đo giữa trục xoay và đường thẳng gócvới mặt đường khi ta nhìn vào đầu xe

Tác dụng của góc kingpin :

+ Giảm lực đánh tay lái : Khi bánh xe quay sang phải và sang tráiquanh trục xoay đứng với khoảng lệch là bán kính Khoảng lệch lớn sẽsinh ra momen lớn quanh trục xoay đứng do sự cản lăn của lốp, vì vậylàm tăng lực tay lái Để giảm bớt lực lái, ta có thể giảm độ lệch bằng 2cách Tăng góc kingpin hoặc làm lốp có góc camber dương.

Hình 1 - 25: Giảm lực đánh lái

+ Giảm sự phản hồi và kéo lệch sang một phía: Một tác dụng kháccủa góc kingpin là làm giảm lực phản hồi và lực kéo lệch sang một bên

Hình 1 - 26: Giảm phản hồi và kéo lệch sang một phía

Nếu khoảng lệch quá lớn, lực dẫn động (lực đẩy xe) hoặc lực hãm sẽ tạo

ra một mômen quay quanh trục xoay đứng lớn, tỷ lệ thuận với khoảnglệch Mặt khác, mọi chấn động tác dụng lên bánh xe sẽ làm cho vô lăng

bị dật lại hoặc phản hồi Những hiện tượng này có thể được cải thiệnbằng cách giảm khoảng lệch

1.4.3.4 Độ chụm đầu.

Khái niệm : Độ chụm là độ lệch của phần trước và phần sau bánh xekhi nhìn từ trên xuống Góc lệch của bánh xe được gọi là góc chụm Khiphần phía trước của các bánh xe gần nhau hơn so với phần phía sau thìđược gọi là “độ chụm”, và nếu ngược lại thì được gọi là “độ choãi”

Hình 1 - 27: Độ chụm độ choãi

Mục đích của góc chụm là đảm bảo độ ổn định chạy trên đườngthẳng Khi xe chạy trên đường nghiêng, thân xe nghiêng về một bên.Khi đó xe có khuynh hướng quay về phía nghiêng Nếu phần phía trướccủa mỗi bánh xe chụm vào trong (Độ chụm), thì xe có khuynh hướngchạy theo hướng ngược lại hướng nghiêng Vì vậy, độ ổn định khi chạytrên đường thẳng được duy trì

Tuy nhiên nếu độ chụm vào quá lớn, độ trượt bên sẽ làm cho lốp xemòn không đều Nếu độ choãi ra quá lớn thì khó đảm bảo độ ổn địnhchạy đường thẳng

1.4.3.5 Góc quay vòng.

Khái niệm: Góc quay vòng là góc quay của bánh xe phía trước bên trái

và bên phải khi chạy trên đường vòng

Với góc quay của bánh xe trước bên trái và bên phải giống nhau lốp

xe bên trong hoặc ngoài sẽ bị trượt về một bên và không thể quay xemột cách nhẹ nhàng Điều này cũng làm cho lốp xe mòn không đều

Với góc quay của các bánh xe bên phải và bên trái khác nhau, phùhợp với tâm quay của cả bốn bánh xe thì độ ổn định của xe chạy trênđường vòng sẽ tăng lên.

sự trượt bên ở một trong hai bánh xe

Với hệ thống lái có góc quay bánh xe dẫn hướng khác nhau, cácbánh xe bên phải và bên trái sẽ có góc quay khác nhau (α ≠ β) Và mỗi bánh xe sẽ quay quanh một tâm quay khác nhau (O) Nênchúng có thể điều chỉnh để có bán kính quay khác nhau (r1 > r2) để quayquanh cùng một tâm (O), nhờ thế mà có được góc lái đúng