ĐỒ ÁN TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG LÁI

Hệ thống lái được sử dụng để thay đổi hướng chuyển động hoặc giữ cho ô tô chuyển động theo một hướng nhất định tùy theo tác động của người lái.

Hình 1.1 - Hệ thống lái

ĐỒ ÁN TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG LÁI

CHƯƠNG I

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LÁI

1.1 Vai trò và nhiệm vụ của hệ thống lái

Hệ thống lái được sử dụng để thay đổi hướng chuyển động hoặc giữcho ô tô chuyển động theo một hướng nhất định tùy theo tác động của ngườilái

1.3 Phân loại

a, Theo bố trí bánh lái

Theo bố trí bánh lái chia ra hệ thống lái với bánh lái bố trí bên phảihoặc bên trái Tùy thuộc vào điều kiện địa lý và luật pháp của từng quốc gia

b,Theo số lượng bánh dẫn hướng

Theo số lượng bánh dẫn hướng chia ra hệ thống lái với các bánh dẫnhướng ở cầu trước,cầu sau ở hai cầu và ở các cầu

Hình 1.2 – Phân loại hệ thống lái theo số bánh dẫn hướng

Đặc điểm và phạm vi sử dụng :

- Cầu trước dẫn hướng (a) là loại dẫn hướng thông dụng, dễ thiết kế, được

sử dụng trên các loại xe con,xe tải nhẹ

- Cầu sau dẫn hướng (b) có tính cơ động cao trong diện tích chật hẹp, loại

cơ cấu này thường được dùng trên các xe nâng

- Hai cầu dẫn hướng (c) được dùng trên các xe chuyên dụng hoặc xe địa hình,xe có khả năng cơ động cao với bán kính quay vòng nhỏ

- Nhiều cầu dẫn hướng (d) sử dụng trên các xe tải nặng, với các yêu cầu về việc phân bố tải trọng trên các bánh xe không vượt quá giới hạn cho phép

c,Theo kết cấu của cơ cấu lái

Theo kết cấu của cơ cấu lái chia ra loại bánh răng-thanh răng, trục cung răng, trục vít-con lăn, trục vít-êcu bi-thanh răng-cung răng

vít- Cơ cấu lái trục vít con lăn

Loại cơ cấu lái này hiện nay được sử dụng rộng Trên phần lớn các ôtôloại có tải trọng bé và tải trọng trung bình đều đặt loại cơ cấu này Cơ cấu láigồm trục vít glôbôit 1 ăn khớp với con lăn 2 đặt trên các ổ bi kim của trục 3của đòn quay đứng Số lượng ren của loại cơ cấu lái trục vít con lăn có thể làmột, hai hoặc ba tuỳ theo lực truyền qua cơ cấu lái

Hình 1.3 - Cơ cấu lái trục vít – con lăn

1 -Trục vít 2 -Con lăn 3 - Ổ bi kim

Ưu điểm:

- Nhờ trục vít có dạng glô-bô-it cho nên tuy chiều dài trục vít không lớnnhưng sự tiếp xúc các răng ăn khớp được lâu hơn và trên diện rộng hơn, nghĩa

là giảm được áp suất riêng và tăng độ chống mài mòn

- Tải trọng tác dụng lên chi tiết tiếp xúc được phân tán tùy theo cỡ ôtô

mà làm con lăn có hai đến bốn vòng ren

- Mất mát do ma sát ít hơn nhờ thay được ma sát trượt bằng ma sát lăn

- Có khả năng điều chỉnh khe hở ăn khớp giữa các bánh răng Đườngtrục của con lăn nằm lệch với đường trục của trục vít một đoạn  = 5  7mm,điều này cho phép triệt tiêu sự ăn mòn khi ăn khớp bằng cách điều chỉnh trongquá trình sử dụng

10 9 8

32

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

Gồm một trục vít, cả hai đầu trục vít được đỡ bằng ổ bi đỡ chặn Trục vít

và êcu có rãnh tròn có chứa các viên bi,các viên bi lăn trong rãnh và truyềnlực Khi đến cuối rãnh thì các viên bi theo đường hồi bi quay trở lại vị trí banđầu

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

Hình 1.4 - Cơ cấu lái kiểu trục vít êcu bi-thanh răng cung răng

1 Vỏ cơ cấu lái 6 Phớt2.Bi dưới 7 Đai ốc điều chỉnh 3.Trục vít 8 Đai ốc hãm4.Êcu bi 9.Bánh răng rẻ quạt5.Ổ bi trên 10.Bi

Ưu điểm:

Cơ cấu lái kiểu trục vít-êcu bi –cung răng có những ưu điểm sau:

- Ma sát giữa trục vít và ê cu là ma sát lăn thông qua các viên bi, bởivậy mà hiệu suất truyền lực cao, giảm được sự mòn trong cơ cấu lái

- Tỉ số truyền của cơ cấu lái có thể thay đổi nếu bán kính vòng chia củacung răng và bước thanh răng thay đổi

- Hiệu suất thận và nghịch gần bằng nhau và đạt được   0,85 0,70 

có khả năng điều chỉnh khe hở giữa thanh răng và bánh răng rẻ quạt

Ta có thể giảm nhẹ lực đánh lái khi xe chạy chậm hoặc đang đỗ bằng cáchthay đổi tỷ số truyền của cơ cấu lái.Tuy nhiên khi tăng tỷ số truyền của cơ cấulái thì làm giảm độ nhạy của cơ hệ thống lái Trên các xe có trợ lực lái tadùng cơ cấu lái có tỷ số truyền không thay đổi được

Đặc điểm của loại cơ cấu lái có tỷ số truyền không đổi là các bán kính ănkhớp của các răng rẻ quạt C1,C2,C3 là bằng nhau và các bán kính ăn khớp

D1 ,D2,D3 của các răng đai ốc bi cũng bằng nhau Do vậy tỷ số truyền của mỗirăng là không đổi ở bất kỳ góc quay nào của trục răng rẻ quạt và bằng tỷ sốsau :

C

D

c=c=c d=d=d

C C

D D

Hình 1.5 - Cơ cấu lái loại trục vít -êcu bi cung răng

11 10

9

8

5 4 3

12

 Cơ cấu lái kiểu bánh răng - thanh răng

Cơ cấu lái kiểu bánh răng -thanh răng gồm bánh răng ở phía dưới trục lái

chính ăn khớp với thanh răng, trục bánh răng được lắp trên các ổ bi.Thanhrăng có cấu tạo dạng răng nghiêng, phần cắt răng của thanh răng nằm ở phíagiữa, phần thanh còn lại có tiết diện tròn Khi vô lăng quay, bánh răng quaylàm thanh răng chuyển động tịnh tiến sang phải hoặc sang trái trên hai bạctrượt.Sự dịch chuyển của thanh răng được truyền tới đòn bên qua các đầuthanh răng, sau đó làm quay bánh xe dẫn hướng quanh trụ xuay đứng

Hình 1.6 - Cơ cấu lái kiểu bánh răng - thanh răng

1.Trục lái 7.Đai ốc 2.Chụp nhựa 8.Đai ốc điều chỉnh 3.Đai ốc điều chỉnh 9.Lò xo

4 Ổ bi trên 10.Thanh răng

5.Vỏ cơ cấu lái 11.Trục răng

6 Dẫn hướng thanh răng 12 Ổ bi dưới

Cơ cấu lái đặt trên vỏ xe để tạo góc ăn khớp lớn cho bộ truyền răngnghiêng, trục răng đặt nghiêng ngược chiều với chiều nghiêng của thanh răng

nhờ vậy sự ăn khớp của bộ truyền lớn,do đó làm việc êm và phù hợp với việc

bố trí vành lái trên xe

Cơ cấu lái kiểu bánh răng- thanh răng có các ưu điểm sau:

- Cơ cấu lái đơn giản gọn nhẹ Do cơ cấu lái nhỏ và bản thân thanhrăng tác dụng như thanh dẫn động lái nên không cần các đòn kéongang như các cơ cấu lái khác

- Có độ nhạy cao vì ăn khớp giữa các răng là trực tiếp.Sức cản trượt,cản lăn nhỏ và truyền mô men rất tốt nên tay lái nhẹ

- Cơ cấu lái được bao kín hoàn toàn nên ít phải chăm sóc bảo dưỡng

d,Theo kết cấu và nguyên lý làm việc của cường hóa

- Theo kết cấu và nguyên lý làm việc của bộ cường hóa chia ra loại cơkhí, cường hóa thủy lực, loại cường hóa khí nén, dẫn động thủy lựccường hóa khí nén

1.4 Chọn cơ cấu lái

Dựa vào đặc điểm kết cấu và ưu nhược điểm của từng loại cơ cấu láigiới thiệu trên em lựa chọn phương án thiết kế hệ thống lái với cơ cấu lái đơngiản là bánh răng thanh răng, với cơ cấu lái này thanh răng được lấy luôn là 1khâu của hình thang lái Đồng thời ta có thể bố trí trợ lực lái nếu muốn cóđược tỉ số truyền thay đổi

1.5 Phương án lựa chọn dẫn động lái

Dẫn động lái gồm tất cả các chi tiết truyền lực từ cơ cấu lái đến ngỗngquay của tất cả các bánh xe dẫn hướng khi quay vòng

Phần tử cơ bản của dẫn động lái là hình thang lái, nó được tạo bởi cầutrước, đòn kéo ngang và các đòn bên Sự quay vòng của ôtô là rất phức tạp, đểđảm bảo đúng mối quan hệ động học của các bánh xe phía trong và phía ngoàikhi quay vòng là một điều khó thực hiện vì phải cần tới dẫn động lái 18 khâu.Hiện nay người ta chỉ đáp ứng điều kiện gần đúng của mối quan hệ động học

đó bằng hệ thống khâu khớp và đòn kéo tạo lên hình thang lái

- Dẫn động lái bốn khâu

Hình thang lái bốn khâu đơn giản dễ chế tạo đảm bảo được động học và độnglực học quay vòng các bánh xe Nhưng cơ cấu này chỉ dùng trên xe có hệthống treo phụ thuộc (lắp với dầm cầu dẫn hướng) Do đó chỉ được áp dụngcho các xe tải và những xe có hệ thống treo phụ thuộc, còn trên xe du lịchngày nay có hệ thống treo độc lập thì không dùng được

V

Hình 1.7 - Dẫn động lái 4 khâu.

- Dẫn động lái sáu khâu:

Dẫn động lái sáu khâu được lắp đặt hầu hết trên các xe du lịch có hệ thốngtreo độc lập lắp trên cầu dẫn hướng Ưu điểm của dẫn động lái sáu khâu là dễlắp đặt cơ cấu lái, giảm được không gian làm việc, bố trí cường hoá lái thuận

tiện ngay trên dẫn động lái, Hiện nay dẫn động lái sáu khâu được dùng rấtthông dụng trên các loại xe du lịch như : Toyota, Nisan, Mercedes,Kia … Với đề tài thiết kế hệ thống lái cho kia morning, hệ thống treo độc lập do đó tachọn dẫn động lái sáu khâu Đặc điểm của dẫn động lái sáu khâu là có thêmthanh nối nên ngăn ngừa được ảnh hưởng sự dịch chuyển của bánh xe dẫnhướng này lên bánh xe dẫn hướng khác.

Hình 1.8 - Dẫn động lái sáu khâu.

CHƯƠNG II TÍNH TOÁN SƠ BỘ HỆ THỐNG LÁI Thông số kĩ thuật tham khảo của XE KIA MORNING

Dài-rộng-cao tổng thể (mm) 3495-1595-1480

Chiều rộng cơ sở trước/sau (mm) 1400/1385

Bán kính quay vòng tối thiểu (m) 4,6

Trọng lượng không tải (N) 8500

Trọng lượng toàn tải (N) 13500

Trọng lượng cầu trước G1(N) 7400

Trọng lượng cầu sau G2(N) 6100

2.1 Tính toán động học hệ thống lái

2.1.1 Xây dựng đường cong lý thuyết

Để đảm bảo động học quay vòng của các bánh xe dẫn hướng cần thỏa mãn

B Cotg Cotg

L

Trong đó:

 : Gúc quay vũng của bỏnh xe dẫn hướng bờn ngoài

 : Gúc quay vũng của bỏnh xe dẫn hướng bờn trong

B : Chiều rộng cơ sở

L : Chiều dài cơ sở

Để thỏa món một cỏch chớnh xỏc biểu thức trờn thỡ dẫn động lỏi phải cú

18 khõu và cú cấu tạo phức tạp Vỡ vậy , trong thực tế người ta thường sử dụng cỏc cơ cấu dẫn động đơn giản hơn mà vẫn đảm bảo được gần đỳng cụngthức trờn , trong đú cơ cấu được sử dụng phổ biến hơn cả là hỡnh thang lỏi Đan tụ Kinh nghiệm cho thấy, nếu lựa chọn cỏc thụng số của hỡnh thang lỏi một cỏch hợp lý thỡ cú thể thỏa món được cụng thức 2.1

Hỡnh 2-1 : Sơ đồ động học quay vũng.

Xỏc định gúc quay lớn nhất của bỏnh xe dẫn hướng phớa trong max:

min 2

L arctg

B R

2

o arctg

Thay (2.7) vào (2.5) ta được:

2

Các đòn bên tạo với phương dọc một góc 

Khi ôtô quay vòng với các bán kính quay vòng khác nhau mà quan hệgiữa  và  vẫn được giữ nguyên như công thức trên thì hình thang lái Đan -

Tô không thể thoả mãn hoàn toàn được

Tuy nhiên ta có thể chọn một kết cấu hình thang lái cho sai lệch vớiquan hệ lý thuyết trong giới hạn cho phép tức là độ sai lệch giữa góc quayvòng thực tế và lý thuyết cho phép lớn nhất ở những góc quay lớn, nhưngcũng không được vượt quá 10

b,Trường hợp khi xe quay vòng:

Trên hình 2-3 là Sơ đồ hình thang lái khi xe quay vòng Khi bánh xebên trái quay đi một góc  và bên phải quay đi một góc , lúc này đòn bêncủa bánh xe bên phải hợp với phương ngang một góc (-) và bánh xe bêntrái là ( +) Ta có mối quan hệ của các thống số theo quan hệ sau:

Hình 2-2 : Sơ đồ hình thang lái khi xe đi thẳng.

X



D A C

y AD

CD

tg  

 AD

y arctg



 Mặt khác:

2 2

 - góc tạo bởi đòn bên hình thang lái và phương ngang:  =78

m - chiều dài đòn bên hình thang lái m = 180 (mm)

y - Khoảng cách giữa đòn ngang với trục trước trong hình thang lái

y = 182 (mm)

p - Chiều dài đòn thanh nối bên hình thang lái p = 250 (mm)

Dựa vào công thức(2.4) và (2.15) ta xây dựng các đường đặc tính hìnhthang lái lý thuyết và thực tế ứng với mỗi giá trị của góc  = (00, 50, , 400)

ta lấy góc  theo xe thiết kế

 = 780 Các giá trị tương ứng được thể hiện trong bảng dưới đây:

 (độ) lt (độ) tt (độ) (độ)

3 Xác định mômen cản quay vòng tại chỗ.

Lực tác động lên vành tay lái của ôtô sẽ đạt giá trị cực đại khi ta quayvòng ôtô tại chỗ Lúc đó mômen cản quay vòng trên bánh xe dẫn hướng Mc sẽbằng tổng số của mômen cản chuyển động M1, mômen cản M2 do sự trượt lêbánh xe trên mặt đường và mômen cản M3 gây nên bởi sự làm ổn định cácbánh xe dẫn hướng

1 2

r

aB

Bt Hình 2-5 - Sơ đồ đặt bánh xe dẫn hướng

Mômen cản quay vòng được xác định theo công thức:

1 bx

M G fa ( 2.17) Trong đó:

Gbx - Trọng lượng tác dụng lên một bánh xe dẫn hướng

+ Mômen cản M 2 do sự trượt bên của bánh xe trên mặt đường:

Trên hình 2-6 Khi có lực ngang Y tác dụng lên bánh xe thì bề mặt tiếp xúcgiữa lốp và đường sẽ bị lệch đi đối với trục bánh xe Nguyên nhân lệch này là

do sự đàn hồi bên của lốp Điểm đặt của lực Y sẽ nằm cách hình chiếu

Hình 2.6- Sơ đồ lực ngang tác dụng lên bánh xe khi xe quay vòng

Khi mô men quay vòng tác dụng lên bánh xe, tại khu vực tiếp xúc giữabánh xe và mặt đường sẽ xuất hiện lực ngang Y Do lốp có tính đàn hồi nênlực Y làm vết tiếp xúc bị lệch đi so với trục bánh xe một đoạn x về phía sau,đoạn x được thừa nhận bằng nửa khoảng cách của tâm diện tích tiếp xúc đếnrìa ngoài của nó theo công thức sau:

2 2

5

Với B là chiều cao lốp : B = 0,6.165 =99 (mm)

Với d là đường kính vành bánh xe : d = 14 (ins) = 14.25,4 = 355,6(mm)

rbx = 0.96r = 0,96 276,8 = 265,7 (mm).

Nên:

 

2 2

x r  r  r

Ta có mômen ma sát giữa bánh xe và đường là:

x G

M2  bx 

Với  là hệ số bám ngang Lấy  = 0,85

Vậy: M2 = 3700.0,85.0,14.276,8.10-3 =122 (Nm)

M3 mô men gây bởi các góc đặt của bánh xe và trụ đứng, việc tính toán

mô men này tương đối phức tạp nên trong khi tính toán có thể thay thế M3

bằng một hệ số khi đó mô men cản quay vòng tại 1 bánh xe dẫn hướng đượctính như sau :

M = (M1 + M2)

Với  = 1,07- 1,15 ta chọn  = 1,1 suy ra ta có :

M = (1,665 +122).1,1 = 136 (Nm)

Vậy mô men cản quay vòng là: Mc =2.136/0,7 = 388 (Nm)

+ Xác định lực cực đại tác dụng lên vành tay lái:

Khi đánh lái trong trường hợp ôtô đứng yên tại chỗ thì lực đặt lên vànhtay lái để thắng được lực cản quay vòng tác dụng lên bánh xe dẫn hướng làlớn nhất Lực lớn nhất đặt lên vành tay lái được xác định theo công thức:

max

c

c d th

M P

th -hiệu suất thuận của cơ cấu lái, đối với cơ cấu lái thanh răng - trụcrăng hiệu suất thuận th = 0,65.

id - tỷ số truyền của truyền động lái id = 0,85- 1,1 ; chọn id = 1

P   N

4 Xác định chiều dài thanh răng:

Theo sơ đồ dẫn động lái, khi bánh xe dẫn hướng quay đi một góc

 40

2 1

5 Tính toán bộ truyền cơ cấu lái:

5.1 Xác định bán kính vòng lăn của bánh răng:

Để xác định được bán kính vòng lăn của bánh răng ta có thể thực hiệntheo các phương pháp sau:

+ Chọn trước đường kính vòng lăn của bánh răng từ đó tính ra vòng quaycủa bánh răng có phù hợp không Có nghĩa là ứng với số vòng quay (n) nào

đó thì thanh răng phải dịch chuyển được một đoạn X1 = 84,78 (mm)

+ Chọn trước số vòng quay của vành lái rồi sau đó xác định bán kínhvòng lăn của bánh răng đối với cơ cấu lái loại bánh răng - thanh răng thì sốvòng quay của vành lái thì cũng là số vòng quay của bánh răng

Dựa vào xe tham khảo, chọn số vòng quay về 1 phía của vành lái ứngvới bánh xe quay là n = 1,5 vòng

5.2Xác định các thông số của bánh răng

Tính số răng theo tài liệu chi tiết máy

mn : Môdun pháp tuyến của bánh răng, chọn theo tiêu chuẩn mn = 2,5

 : Góc nghiêng ngang của bánh răng, chọn sơ bộ góc nghiêng  = 120

Từ công thức (2.22) ta suy ra số răng của bánh răng :

0

cos 18.cos12

7,02,5

c n

D Z

Cos =

n c

Zm

7.2,5

18 = 0,97Suy ra  = arccos 0.972 = 140

Môdun ngang của bánh răng :

cos

n t

m m





2.5 cos14 = 2.57

Số răng tối thiểu:

Zmin = 17cos3 = 17.cos3140 = 12,78

Z



=

13 6 13

S = m/2 + 2 mtg

= 3,14.2,5/2 + 2.0,538.2,5.tg200 = 4,9 mm

5.3 Xác định kích thước và thông số của thanh răng:

Đường kính của thanh răng được cắt tại mặt cắt nguy hiểm nhất:

d=  

3

0, 2

x x

 = t1

L

Trong đó :

t1 = cos 

t

= cos

n m



 = 0

.2,5 cos18

 = 8,25Suy ra:

Z =

169.56

8, 25 = 19,8