Tính toán thiết kế hệ thống lái xe tải 5 tấn, đh bkhn

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.. Với hệ thống lái có trợ lực cải tiến quá

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 2

CHƯƠNG I TỔNG QUAN HỆ THỐNG LÁI 4

1 Mô tả chung hệ thống lái 4

1.1 Tổng quan 4

1.2 Các trạng thái quay vòng của xe 4

1.3 Phân loại hệ thống lái 5

1.4 Yêu cầu của hệ thống lái ôtô 6

2 Các bộ phận hợp thành hệ thống lái ôtô 7

2.1 Vành lái 7

2.2 Trục lái 7

2.3 Cơ cấu lái 8

CHƯƠNG II TÍNH TOÁN HỆ THỐNG LÁI 11

4 Tính bền các chi tiết còn lại của hệ thống lái 25

4.1 Tính bền trục lái 25

4.2 Tính bền đòn quay đứng 26

4.3 Tính bền đòn kéo dọc 28

4.4 Tính bền đòn kéo ngang 30

4.5 Tính bền đòn bên 32

4.6 Tính bền Rotuyn 33

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay ngành công nghiệp ô tô ở nước ta đang phát triển mạnh mẽ và ngày càng khẳng định vai trò to lớn của mình trong các ngành công nghiệp trọng điểm của quốc gia Nhận thấy tiềm năng của công nghiệp ô tô nên nước ta đã chủ động

mở cửa cho các nhà đầu tư nước ngoài xây dựng các nhà máy lắp ráp cũng như sảnxuất linh kiện ô tô trong nước góp phần giải quyết vấn đề nhân lực cũng như thúc đẩy kinh tế, đóng góp không nhỏ vào nguồn thu của chính phủ Với tốc độ phát triển mạnh mẽ như vậy càng đòi hỏi nguồn nhân lực 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 chuyên nghiên 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 công nghệ 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 Hệ thống này có chức năng điều khiển hướng chuyển động của ô tô, nó đảm bảo tính năng

ổn định chuyển động thẳng cũng như quay vòng của bánh xe dẫn hướng 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 áp dụng 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 5 tấn” Với hệ thống lái có trợ

lực cải tiến quá trình điều khiển làm tăng tính năng an toàn chuyển 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 mẻ đòi hỏi phải có thời gian dài nghiên cứu tìm hiểu Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng với hiểu biết cũng như thời gian tìm hiểu hạn chế nên đồ án của em không tránh khỏi sai sót cũng như còn nhiều vấn đề chưa được đề cập tới Em mong các thầy vàcác bạn góp ý để bản đồ án được hoàn thiện hơn Qua đó cũng mở ra một hướng

nghiên cứu mới đối với thiết kế tính toán các hệ thống trên ô tô song song với tính toán thiết kế truyền thống.

Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy: Lương Quý Hiệp 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 lực- trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội cùng toàn thể các bạn đã giúp đỡ em trong quá trình nghiên cứu để hoàn thành đồ án này

Hà Nội, ngày 27 tháng 12 năm 2015Xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên Trần Văn Trang

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 lái tiếpnhận lực tác động của người lái và truyền vào hệ thống lái, trục lái truyền mômen

từ vô lăng tới cơ cấu lái, cơ cấu lái tăng mômen truyền từ vành lái tới các thanhdẫn động lái, các thanh dẫn động lái truyền chuyển động từ cơ cấu lái đến các bánh

xe dẫn hướng Kết cấu lái phụ thuộc vào cơ cấu chung của xe và của từng chủngloại 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 Đểquay vòng đúng thì các bánh xe dẫn hướng phải quay quanh một tâm quay tức thờikhi 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 quá trìnhphức tạp Khi xe chuyển động trên đường vòng với tốc độ thấp thì ứng với mỗi vịtrí góc quay của vành tay lái nhất định vl xe sẽ quay vòng với một bán kính quayvòng 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 quay vòng làđộng, trạng thái quay vòng đủ ít xảy ra mà thường gặp là trạng thái quay vòngthiếu và quay vòng thừa xảy ra trên cơ sở của việc thay đổi tốc độ chuyển động, sựđàn hồi của lốp và hệ thống treo

Khi quay vòng thiếu, để thực hiện quay vòng xe theo bán kính R0 người lái phảităng góc quay vành lái một lượng vl Khi quay vòng thừa, để thực hiện quay vòng

xe theo bán kính R0 người lái phải giảm góc quay vành lái một lượng 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 (vậntốc quay vòng của xe tăng kéo theo lực ly tâm khi quay vòng tăng) Ở những trạngthái này yêu cầu người lái phải có kinh nghiệm xử lý tốt Vấn đề chất tải, độ đànhồi của lốp cũng có ảnh hưởng tới tính năng quay vòng và tính an toàn chuyểnđộng 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 động củaôtô 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 quay vòngnhanh và ngặt trong một thời gian rất ngắn trên một diện tích rất bé

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

- Đảm bảo được động học quay vòng đúng để các bánh xe không bị trượt lếtkhi quay vòng

- Hệ thống trợ lực phải có tính chất tuỳ động đảm bảo phối hợp chặt chẽ giữa

sự tác động của hệ thống lái và sự quay vòng của bánh xe dẫn hướng

- 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 treo trướckhông ảnh hưởng đến động học cơ cấu lái

- Giữ chuyển động thẳng ổn định

- Hệ thống lái phải bố trí thụân tiện trong việc bảo dưỡng và sửa chữa

(i) 2.1 Vành lái.

Vành lái có dạng vành tròn Lực của người lái tác dụng lên vành lái tạo ra mômen quay để hệ thống lái làm việc Mô men tạo ra trên vành lái là tích số của lựcngười lái trên vành tay lái với bán kính của vành 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 lái Vành lái của bất kỳ loại ôtô nào cũng có độ dơ nhất định, với xe con không đượcvượt quá 8 0

thụ va đập Cơ cấu này hấp thụ lực dọc trục tác dụng lên người lái khi có va đậpmạnh hoặc khi tai nạn xảy ra

Trục lái thường có hai loại: Loại trục lái có thể thay đổi được góc nghiêng và loạitrục 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 người lái, hệthống trượt trục lái để có thể điều chỉnh được chiều dài của trục lái và đạt được vịtrí 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 đến cácbánh xe dẫn hướng Tỷ số truyền của cơ cấu lái thường bằng 18 đến 20 đối với xecon và bằng từ 21 đến 25 đối với xe tải

3 Một số loại cơ cấu lái thường dùng:

3.1 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

Ưu điểm:

Cơ cấu lái loại trục vít chốt quay có thể thay đổi tỷ số truyền theo yêu cầu chotrước Tùy theo điều kiện cho trước khi chế tạo trục vít ta có thể có loại cơ cấu lái

chốt quay với tỷ số truyền không đổi, tăng hoặc giảm khi quay vành lái ra khỏi vịtrí trung gian Để tăng hiệu suất của cơ cấu lái và giảm độ mòn của trục vít và chốtquay thì chốt được đặt trong ổ bi.

3.2 Cơ cấu lái trục vít con lăn

Loại cơ cấu lái này được sử dụng rộng rãi nhất Cơ cấu lái gồm trục vít glôbôit 1

ăn khớp với con lăn 2 (có ba tầng ren) đặt trên các ổ bi kim của trục 3 của đònquay 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

Hình 1.4: Cơ cấu lái trục vít con lăn

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

Hình 1.5: Cơ cấu lái kiểu bi tuần hoàn

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

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

CHƯƠNG II TÍNH TOÁN HỆ THỐNG LÁI

10

3 2

1 Các số liệu xe thiết kế

1.1 Các số liệu tham khảo

Các thông số đầu vào cho tính toán:

2 Số lượng cầu dẫn hướng n 1

3 Trọng lượng phân bố lên

cầu dẫn hướng khi ôtô có tải

4 Chiều dài cơ sở của ôtô L 3.300 m

5 Chiều rộng cơ sở của ôtô B 1.800 m

1.2 Yêu cầu thiết kế hệ thống lái.

- Quay vòng ngặt trong thời gian ngắn nhất trên diện tích nhỏ nhất

- Lực lái nhẹ, tức lực đặt trên vành tay lái phải nhỏ nhưng phải đảm bảo cảmgiác tới người lái

- Ôtô chuyển động thẳng phải ổn định đặc biệt ở tốc độ cao

- Động học quay vòng đúng, các bánh xe khi quay vòng phải lăn theo tâmquay tức thời để đảm bảo các bánh xe lăn không bị trượt trên đường, tránhmòn lốp nhanh và tiêu hao công suất cho lực ma sát

- Đặt cơ cấu lái trên phần được treo để kết cấu của hệ thống treo bánh trướckhông ảnh hưởng tới động học cơ cấu lái

1.3 Chọn phương án dẫn động lái

Dẫn động lái gồm tất cả các cơ cấu truyền lực từ cơ cấu lái đến ngõng quay củacác bánh xe dẫn hướng khi quay vòng

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

hệ động học đó bằng hệ thống khâu khớp và đòn kéo tạo nên hình thang lái

Với xe thiết kế là xe tải hạng trung, có hệ thống treo phụ thuộc ta chọn phương

án dẫn động lái như hình vẽ với hình thang lái Đantô (hình thang lái 4 khâu)

1.4 Chọn phương án cơ cấu lái.

Ngày nay trợ lực lái được sử dụng trên hầu hết các xe, cũng như cơ cấu láiloại trục vít lõm – con lăn được sử dụng phổ biến trên nhiều xe Do có các ưuđiểm: kết cấu gọn, độ bền và độ chống mòn của trục vít lõm con lăn cao và cóhiệu suất cao Có khả năng điều chỉnh lại nhiều lần để khắc phục khoảng hở ănkhớp và khoảng hở trong ổ bi Với những ưu điểm đó ta lựa chọn hệ thống lái cókết cấu thiết kế trục vít – êcu bi để tính toán thiết kế cho xe tải hạng trung

1.5 Chọn phương án trợ lực lái.

* Yêu cầu đối với trợ lực lái

Mặc dù trợ lực lái là cơ cấu được sử dụng để giảm lực lái nhưng mức độgiảm phải khác nhau phụ thuộc vào điều kiện chuyển động Và nó phải đảm bảođược các yêu cầu sau :

+Khi hệ thống của trợ lực lái có sự cố thì hệ thống lái vẫn có thể làm việc Nếu

có hư hỏng xảy ra làm ngưng việc cấp dầu từ bơm đến cơ cấu lái thì người lái cóthể lái được xe mà không cần tới trợ lực lái Người lái vẫn phải đảm bảo điềukhiển được xe nhưng với một lực lái lớn hơn

+Đảm bảo lực lái thích hợp : Công dụng chính của trợ lực lái là giảm lực láiđồng thời đó là một cơ cấu an toàn, mức độ giảm lực lái phải phù hợp với từngđiều kiện chuyển động của xe Nói chung, lực lái lớn khi xe đứng yên hay chaychậm ở tốc độ trung bình cần lực lái nhỏ hơn và lực lái giảm dần khi tốc độ tăng.Chỉ cần lực lái nhỏ khi tốc độ xe cao vì ma sát giữa bánh xe và mặt đường giảm.Nói cách khác phải đạt được lực lái phù hợp ở bất kỳ dải tốc độ nào và cùng lúc

đó “cảm giác đường “ phải đựơc truyền tới người lái Để đảm bảo được lực láithích hợp, trên các xe hiện đại được trang bị những thiết bị dặc biệt đi kèm vớitrợ lực lái trên bơm hoặc van điện từ như: kiểu cảm biến tốc độ xe, kiểu cảm biếntốc độ động cơ (RPM).

+ Khắc phục hiện tượng tự cường hoá khi ôtô vượt qua chỗ lõm , đường xấu,

có khả năng cường hoá lúc lốp xe bị hỏng, để khi đó người lái vừa phanh ngặt, vừagiữ được hướng chuyển động ban đầu của xe

+ Thời gian cường hoá phải là tối thiểu và chỉ cường hoá khi lực quay vònglớn

Như vậy sử dụng hệ thống trợ lực lái đảm bảo tính năng vận hành của xe, giảmđược lực đánh lái và chọn được tỷ số truyền của hệ thống lái thích hợp hơn.Nhưng hệ thống lái có trợ lực làm mòn lốp nhanh hơn, kết cấu phức tạp hơn vàkhối lượng bảo dưỡng cũng tăng lên so với hệ thống lái không có cường hoá

Với nhiệm vụ thiết kế ta chọn phương án trợ lực thuỷ lực vì nó có các ưuđiểm sau :

- Kích thước và khối lượng gọn nhẹ ,dễ bô trí

- Có hiệu quả tác động cao đặc biệt là tính tuỳ động (tính chép hình)

- Tốc độ tác động cao (độ chậm tác dụng khoảng 0,05 giây )

- Đóng vai trò giảm chấn, giảm những va đập từ mặt đường ngược lên hệthống lái

- Hệ thống tuần hoàn kín nên độ an toàn hoạt động cao và ít xảy ra hư hỏng

2.Tính toán thiết kế hệ thống lái.

2.1 Tính mômen quay vòng cực đại.

Lực tác dụng lên vành tay lái đạt giá trị cực đại khi ta quay vòng ôtô tại chổ.

Lúc đó mômen cản quay vòng trên dọc bánh xe dẫn hướng Mc sẻ bằng tổng sốcủa mômen cản chuyển động M1, mômen cản do các bánh xe trượt lê trên đường

M2, và mômen cần thiết để làm ổn định dẫn hướng M3 do cánh tay đòn a Khi xácđịmh giá trị lực cực đại tác dụng lên vành tay lái Pemax ,M3 có thể bỏ qua

Mômen cản: M1 = Gbx.f.a

Trong đó :- Gbx – trọng lượng tác dụng lên 1 bánh xe dẫn hướng

- f - hệ số cản lăn f=0.015

a = 0,05m bán kính quay vòng của bánh xe dẫn hướng Khi có lực ngang Y tác dụng lên bánh xe do sự đàn hồi bên của lốp diện tíchtiếp xúc giữa lốp và đường sẽ bị quay tương đối đối với mặt phẳng bánh xe.Điểm đặt của lực ngang Y sẽ dịch chuyển 1 đoạn x nào đó phía sau đối với trụcbánh xe Đoạn x được thừa nhận bằng một phần tư chiều dài của bề mặt tiếp xúcgiữa lốp với đường

bị nâng lên, = 1,07… 1,15(hệ số tính đến ma sát trong dẩn động lái)

d - hiệu suất của dẩn động lái : = 0,85 0,9

Thế các số liệu vào ta được:Mc = G1 (f.a + 0,14..rt).d

2.2 Tỷ số truyền của hệ thống lái.

a) Tỷ số truyền của dẫn động lái I d

Tỷ số truyền của dẫn động lái phụ thuộc vào kích thước và quan hệ của các cánh tay đòn

Id=0,85-1,1

c



Chọn sơ bộ Id=1 ( cho cầu dẫn hướng)

b) Tỷ số truyền của cơ cấu lái I.

Tỷ số truyền của cơ cấu lái loại này thường lấy theo kinh nghiệm thiết kế



i - tỉ số truyền góc của cơ cấu lái loại vừa từ 20…25 lấy 21

Tỷ số truyền của hệ thống lái bằng tích số của tỷ số truyền cơ cấu lái (i) và tỷ

số truyền của dẫn động lái (id)

d

i i

Tỷ số truyền cho cầu dẫn hướng thứ nhất i1 i.i d1

Trong đó id là tỷ số truyền của dẫn động lái đến bánh xe dẫn hướng

Giá trị tỷ số truyền đối với cầu dẫn hướng chọn sơ bộ i=1.21=21

Il - là tỷ số của tổng lực cản khi ôtô máy kéo quay vòng (Pc) và lực đặt trên vành tay lái khi cần thiết để khắc phục được lực cản quay vòng (Pl)

l

c l

c c





Với : Mc - mômen cản quay vòng của bánh xe

Ml - mômen đặt trên vành tay lái

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

R - bán kính vành tay lái.

2.3.Tính toán các thông số hình học của hệ dẫn động lái.

a) Tính toán hình thang lái.

 Công dụng của hình thang lái:

- Hình thang lái có tác dụng đảm bảo sự quay vòng đúng của các bánh xe dẫnhướng Khi đó các bánh xe dẫn hướng không có sự trượt khi xe chuyển động

- Đảm bảo quan hệ giữa góc quay của bánh xe dẫn hướng bên trái và bênphải sao cho các bánh xe lăn trên các đường tròn khác nhau nhưng đồng tâm

 Xây dựng đường đặc tính ly thuyết của hệ thống lái cầu trước

Muốn các bánh xe thực hiện quay vòng đúng thì quan hệ giữa chúng phải thoả mãncông thức sau :

Cotg õ-Cotg ỏ= L

B0

Trong đó :

õ: Là góc quay của bánh xe dẫn hướng ngoài của cầu dẫn hướng

ỏ: Là góc quay của bánh xe dẫn hướng trong của cầu dẫn hướng

L : chiều dài cơ sở của hai cầu (trên hình vẽ)

B0 : Khoảng cách giữa hai đường tâm trụ quay đứng

B A

O

C 1 1 1 D

B 0

Hình 2.1 - Sơ đồ động học khi quay vòng.

40

0  ta xác định được góc  tương ứngtheo bảng sau :

Bảng I: Bảng thông số của đường đặc tính lý thuyết của các góc quay cầudẫn hướng

13,387

17,267

20,933

24,427

27,785