TÍNH TOÁN và THIẾT kế hệ THỐNG lái CHO ôtô tải HẠNG TRUNG

Trong những năm gần đây những tiến bộ của khoa học kỷ thuật đã đợc ứng dụng vào nền công nghiệp chế tạo ôtô nhằm tăng tính năng thông qua, tính kinh tế nhiên liệu, độ tin cậy làm việc…..

Bộ giáo dục và đào tạo cộng hoà x hội chủ nghĩa việt namã hội chủ nghĩa việt nam

Trờng học viện kỹ thuật độc lập - tự do - hạnh phúc

Quân sự

NHIệM Vụ đồ án Họ và tên : Phạm Hoàng Nam Khoá …… K37 1.Đầu đề thiết kế: Tính toán và thiết kế hệ thống lái cho ôtô tải hạng trung. 2 Các số liệu ban đầu: T T Thông số kí hiệu Giá trị đơn vị 1 Trọng lợng toàn bộ của ôtô G 5770 KG 2 Số lợng cầu dẫn hớng n 1 3 Trọng lợng phân bố lên cầu dẫn hớng khi ôtô có tải G 1 2710 KG 4 Chiều dài cơ sở của ôtô L 3.300 m 5 Chiều rộng cơ sở của ôtô B 1.800 m 6 Bán kính bánh xe dẫn hớng M k 0.533 4 m 3 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán : 1 Phân tích đặc điểm kết cấu hệ thống lái 2 Tính toán hệ thống lái 3 Kiểm bền hệ thống lái 4 Các bản vẽ đồ thị ( ghi rõ các loại bản vẽ về kích thớc các bản vẽ)

5 Cán bộ hớng dẫn

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

6 Ngày giao nhiệm vụ thiết kế :………

7 Ngày hoàn thành nhiệm vụ :………

Ngày ……… tháng …… năm 2006

cán bộ hớng dẫn

(Ký và ghi rõ họ tên )

Nguyễn Văn Trà

Kết quả đánh giá :

- Quá trình thiết kế ………

- Điểm thuyết minh………

- Bản vẽ thiết kế………

Ngày ….tháng …năm 2006

Học viên đ hoàn thànhã hội chủ nghĩa việt nam

Ngày ……tháng……năm 200…

(ký tên )

Lời nói đầu

Ngành ôtô giữ một vị trí quang trọng trong nền kinh tế quốc dân góp phần to lớn vào sự phát triển chung của nền kinh tế Trong những năm gần

đây những tiến bộ của khoa học kỷ thuật đã đợc ứng dụng vào nền công nghiệp chế tạo ôtô nhằm tăng tính năng thông qua, tính kinh tế nhiên liệu,

độ tin cậy làm việc… Đối với hệ thống lái cũng vậy, việc bố trí trợ lực lái sẽ giảm cờng độ lao động cho ngời lái, đảm bảo độ an toàn cho ngời vầ hàng hoá trên xe

Hiện nay một số loại xe đã và đang sản xuất và lắp ráp tại Việt Nam, tuy nhiên phần lớn các xe đang sử dụng tại Việt Nam là nhập từ các nớc Còn trong Quân đội phần lớn các xe đợc nhập từ Liên Xô cử nh : ôtô chỉ huy, ôtô tải và các loại ôtô có lắp vủ khí, khí tài … do đó việc khai thác, sử dụng,

đánh giá hiệu quả các phơng tiện có ý nghĩa đặc biệt quang trọng đối với

ng-ời làm công tác kỷ thuật nói chung và những cán bộ quản lý VKTBKT nói riêng

Nhiệm vụ của đồ án môn học: “TíNH TOáN thiết kế Hệ THốNG LáI ÔTÔ tải hạng trung” gồm các nội dung chính sau:

- Lời nói đầu

- Phân tích đặc điểm kết cấu hệ thống lái.

- Tính toán thiết kế hệ thống lái

- Kết luận

Do hạn chế về thời gian đồ án chỉ tập trung đi vào tính toán cho cơ cấu lái Quá trình thực hiện đồ án đã đợc sự giúp đỡ chỉ bảo của các thầy giáo trong bộ môn và các bạn cùng lớp, tạo điều kiện cho tôi hoàn thành nội dung

đồ án theo đúng thời gian quy định Mặc dù vậy do hạn chế về năng lực và thời gian nên đồ án không tránh khỏi còn nhiều thiếu sót Rất mong đợc sự góp ý của các thầy cô và các bạn để tôi có điều kiện làm tốt hơn ở đồ án tốt nghiệp

Xin chân thành cảm ơn!

Ngời viết:

Phạm Hoàng Nam

Chơng I Phân tích đặc điểm hệ thống lái

1.1 Công dụng, phân loại, yêu cầu.

1.1.1 Công dụng.

Hệ thống lái của ôtô dùng để thay đổi hớng chuyển động của ôtô nhờ quay vòng các bánh xe dẫn hớng cũng nh để giữ phơng chuyển động thẳng hay chuyển động cong của ôtô khi cần thiết

Trong quá trình chuyển động trên đờng, hệ thống lái có ảnh hởng rất lớn đến an toàn chuyển động của xe nhất là ở tốc độ cao , do đó chúng không ngừng đợc hoàn thiện

Việc điều khiển hớng chuyển động của xe đợc thực hiện nhờ vô lăng (vành lái ), trục lái (truyền chuyển động quay từ vô lăng tới cơ cấu lái ), cơ cấu lái (tăng lực quay của vô lăng để truyền mômen lớn hơn tới các thanh dẫn động lái ), và các thanh dẫn động lái (truyền chuyển động từ cơ cấu lái

đến các bánh xe dẫn hớng )

Kết cấu lái phụ thuộc vào cơ cấu chung của xe và của từng chủng loại xe Để quay vòng đợc thì ngời lái cần phi tác dụng vào vô lăng một lực

Đồng thời để quay vòng đợc thì cần có một phản lực sinh ra từ mặt đờng lên mặt vuông góc với bánh xe

Để quay vòng đúng thì các bánh xe dẫn hớng khi quay vòng phải quay trên những đờng tròn đồng tâm với nhau Đó là tâm quay tức thời khi quay vòng

Kết cấu hệ thống lái rất phức tạp Vì vậy để hiểu đợc về trạng thái quay vòng ta cần phải hiểu sâu về kết cấu của hệ thống lái

1.1.2 Phân loại.

+ Trục vít bánh vít

+ Trục vít đòn quay

+ Cơ cấu lái loại thanh khía

+ Cơ cấu lái kiểu liên hợp

1.1.3 Yêu cầu.

An toàn chuyển động trong giao thông vận tải bằng ôtô là chỉ tiêu hàng đầu trong việc đánh giá chất lợng thiết kế và sử dụng phơng tiện này Một trong các hệ thống quyết định đến tính an toàn và ổn định chuyển

động của ôtô là hệ thống lái Để giảm nhẹ lao động cho ngời lái cũng nh tăng thêm độ an toàn cho ôtô, ngày nay trên ôtô thờng sử dụng trợ lực lái

Để đảm bảo tính êm dịu chuyển động trên mọi loại đờng từ dải tốc độ thấp tới dải tốc độ cao, hệ thống lái cần đảm bảo các yêu cầu sau :

 Hệ thống lái phải đảm bảo dễ dàng điều khiển, nhanh chóng và an toàn Các cơ cấu điều khiển bánh xe dẫn hớng và quan hệ hình học của hệ thống lái phải đảm bảo không gây lên các dao động và va đập trong hệ thống lái

 Đảm bảo ổn định bánh xe dẫn hớng khi chuyển động thẳng

 Đảm bảo khả năng quay vòng hẹp dễ dàng: Khi xe quay vòng trên đờng hẹp ,đờng gấp khúc, hệ thống lái có thể quay ngặt các bánh xe trớc một cách dễ dàng Quay vòng ngặt là trạng thái quay vòng với thời gian quay vòng ngắn và bán kính quay vòng nhỏ

 Đảm bảo lực lái thích hợp: Lực ngời lái đặt lên vành lái khi quay vòng phải nhỏ, lực lái cần thiết sẽ lớn khi xe đứng yên và sẽ giảm khi tốc độ

xe tăng Vì vậy cần phải đảm bảo lực lái nhỏ nhng vẫn gây đợc cảm giác về trạng thái mặt đờng

 Hệ thống lái không đợc có độ dơ lớn: Với xe có vận tốc lớn nhất trên 100Km/h, thì độ dơ vành lái không vợt quá 180, với xe có vận tốc lớn nhất từ 25 km/h đến 100km/h thì độ dơ vành lái không vợt quá 270

 Đảm bảo khả năng an toàn bị động của xe, không gây tổn thơng lớn cho ngời lái Đảm bảo hiệu suất thuận phải lớn hơn hiệu suất nghịch để giảm tác động từ mặt đờng qua kết cấu lái lên vô lăng

 đảm bảo tính tùy động

1.2 Kết cấu một số cơ cấu lái điển hình.

1.2.1 Cơ cấu lái kiểu trục vít- cung răng.

Cơ cấu lái loại này gồm có: trục vít và cung răng đặt ở giữa, trục vít cung

răng đặt ở cạnh bên trục vít

Cả hai loại cơ cấu lái này đều có u điểm hơn các cơ cấu lái trục vít- bánh vít là kết cấu nhỏ gọn hơn, giảm đợc áp suất lên bề mặt tiếp xúc của các răng(do có thể bố trí 1 đến 3 răng)

Nhợc điểm cơ bản của chúng là hiệu suất thấp nên chỉ sử dụng cho các ôtô tải

có tải trọng lớn

1.2.2 Cơ cấu lái loại trục vít- êcu- cung răng.

Cơ cấu lái loại này hiện nay đang đợc sử dụng rộng rãi trên các xe ôtô tải Đây

là loại cơ cấu lái liên hợp, trong cơ cấu lái này ma sát trợt đợc thay thế bằng

ma sát lăn(giữa bi và êcu, bi và trục vít) vì vậy đảm bảo tỉ số truyền của cơ cấu lái lớn và cơ cấu lái có tính chất”trả tay lái” khi quay vòng

Ư điểm lớn nhất của cơ cấu lái này là nhỏ gọn và có hiệu suất cao

1.2.3 Cơ cấu lái trục vít lõm- con lăn.

- Vỏ cơ cấu lái làm bằng gang và đợc bắc chặt với dầm dọc bên trái khung Trục vít lõm, con lăn đợc làm bằng thép

- Trục vít đợc ép vào đầu dới của trục lái và quay trên hai ổ côn, trục trên

đợc nối với trục lái bằng then bán nguyệt Điều chỉch dịch chuyển bằng đệm giữa vỏ cơ cấu lái và nắp dới của cơ cấu lái

- Con lăn đợc đặc trên 2 ổ thanh lăn kim ở trục đòn quay đứng, trục đòn quay đứng gối lên 2 bạc đồng và ổ con lăn trục ở nắp bên cạnh cơ cấu

lái,trên trục đòn quay đứng có ren bắc đai ốc lắp đòn quay đứng, đầu còn lại

có kết cấu điều chỉnh khe hở ăn khớp của cơ cấu lái

- Cơ cấu lái loại trục vít lõm- con lăn có 3 răng có kết cáu gọn, độ bền cao, lực tác dụng phân ra 3 răng nên áp lực tác dụng lên bề mặt răng nhỏ, ma sát trợt đợc thay bằng ma sát lăn nên có hiệu suất cao, loại ổ bi của trục vít con lăn có khả năng điều chỉnh đợc nhiều lần độ ăn khớp do khoảng hở trong ổ bi

Chơng II Tính toán hệ thống lái

2.1 các số liệu xe thiết kế.

1.1.1 Số liệu tham khảo.

các thông số đầu vào cho tính toán:

T

1 Trọng lợng toàn bộ của ôtô G 5770 Kg

3 Trọng lợng phân bố lên cầu

dẫn hớng khi ôtô có tải G 1 2710 Kg

6 Bán kính bánh xe dẫn hớng M k 0.533

1.1.2 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 nhng phải đảm bảo cảm giác tới ngời 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 tâm quay tức thời để đảm bảo các bánh xe lăn không bị trợt trên đờng, tránh mòn lốp nhanh và tiêu hao công suất cho lực ma sát

- Đặt cơ cấu lái trên phần đợc treo để kết cấu của hệ thống treo bánh trớc không ảnh hởng tới động học cơ cấu lái

1.1.3 Chọn phơng án dẫn động lái.

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

Phần tử cơ bản của dẫn động lái là hình thang lái ĐANTÔ, nó đợc tạo bởi cầu trớc, đòn kéo ngang và các đòn kéo bên Sự quay vòng của ôtô rất phức tạp, để đảm bảo mối quan hệ động học của các bánh xe phía trong và phía ngoài khi quay vòng là một điều khó thực hiện Hiện nay ngời 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 phơng án dẫn động lái nh hình vẽ với hình thang lái Đantô (hình thang lái 4 khâu)

1.1.4 Chọn phơng án cơ cấu lái.

Ngày nay trợ lực lái đợc sử dụng trên hầu hết các xe, cũng nh cơ cấu lái loại trục vít lõm – con lăn đợc sử dụng phổ biến trên nhiều xe Do có các u

điểm: kết cấu gọn, độ bền và độ chống mòn của trục vít lõm con lăn cao và

có hiệu suất cao Có khả năng điều chỉnh lại nhiều lần để khắc phục khoảng

hở ăn khớp và khoảng hở trong ổ bi Với những u điểm đó ta lựa chọn hệ

thống lái có kết cấu trục vít lõm con lăn để tính toán thiết kế cho xe

tải hạng trung

1.1.5 Chọn phơng án trợ lực lái.

* Yêu cầu đối với trợ lực lái

Mặc dù trợ lực lái là cơ cấu đợc sử dụng để giảm lực lái nhng mức độ giảm phải khác nhau phụ thuộc vào điều kiện chuyển động Và nó phải đảm bảo đợc 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 h hỏng xảy ra làm ngng việc cấp dầu từ bơm đến cơ cấu lái thì ngời lái có thể lái đợc xe mà không cần tới trợ lực lái Ngời lái vẫn phải đảm bảo

điều khiển đợc xe nhng với một lực lái lớn hơn

+Đảm bảo lực lái thích hợp : Công dụng chính của trợ lực lái là giảm lực lái đồng thời đó là một cơ cấu an toàn, mức độ giảm lực lái phải phù hợp với từng điều kiện chuyển động của xe Nói chung, lực lái lớn khi xe đứng yên hay chay chậm 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 đờng giảm Nói cách khác phải đạt đợc lực lái phù hợp ở bất kỳ dải tốc độ nào và cùng lúc đó “cảm giác đờng “ phải đựơc truyền tới ngời lái Để

đảm bảo đợc lực lái thích hợp, trên các xe hiện đại đợc trang bị những thiết

bị dặc biệt đi kèm với trợ lực lái trên bơm hoặc van điện từ nh: kiểu cảm biến tốc độ xe, kiểu cảm biến tốc độ động cơ (RPM)

+ Khắc phục hiện tợng tự cờng hoá khi ôtô vợt qua chỗ lõm , đờng xấu, có khả năng cờng hoá lúc lốp xe bị hỏng, để khi đó ngời lái vừa phanh ngặt, vừa giữ đợc hớng chuyển động ban đầu của xe

+ Thời gian cờng hoá phải là tối thiểu và chỉ cờng hoá khi lực quay vòng lớn

Nh vậy sử dụng hệ thống trợ lực lái đảm bảo tính năng vận hành của xe, giảm đợc lực đánh lái và chọn đợc tỷ số truyền của hệ thống lái thích hợp hơn Nhng hệ thống lái có trợ lực làm mòn lốp nhanh hơn, kết cấu phức tạp hơn và khối lợng bảo dỡng cũng tăng lên so với hệ thống lái không có cờng hoá

Với nhiệm vụ thiết kế ta chọn phơng án trợ lực thuỷ lực vì nó có các u

điểm sau :

- Kích thớc và khối lợng 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 đờng ngợc lên hệ thống lái

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

2.2 Tính toán thiết kế hệ thống lái.

2.1.1 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 hớng Mc sẻ bằng

tổng số của mômen cản chuyển động M1, mômen cản do các bánh xe trợt lê trên đờng M2, và mômen cần thiết để làm ổn định dẫn hớng M3 do cánh tay

đòn a Khi xác địmh 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 lợng tác dụng lên 1 bánh xe dẫn hớng

- f - hệ số cản lăn f=0.015

a = 0,05m bán kính quay vòng của bánh xe dẫn hớng

Khi có lực ngang Y tác dụng lên bánh xe do sự đàn hồi bên của lốp diện tích tiếp xúc giữa lốp và đờng sẽ bị quay tơng 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 trục bánh xe Đoạn x đợc thừa nhận bằng một phần t chiều dài của bề mặt tiếp xúc giữa lốp với đờng

Ta có : x = 0,5 2 2

bx r

r 

Trong đó : r- bán kính tự do của bánh xe(rt)

Nếu thừa nhận rbx = 0,96 rt thì ta có x = 0,14.rt

Lúc đó : M 2 = Y x = 0,14 Gbx .rt

- hệ số bám ngang ,lấy  = 0,8

Tổng mômen cản quay ở cả 2 bánh dẫn hớng tác dụng lên cam quay và

từ cam quay qua đòn dọc của dẫn động lái là:

Mc = 2(M1 + M2). = 2.Gbx (f.a + 0,14..rt)

d



1

.

= G1 (f.a + 0,14..rt)

d



1

.

Trong đó :  - hệ số tính đến ảnh hởng của M3 gây ra do cầu trớc của

ôtô 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 đợc:Mc = G1 (f.a + 0,14..rt)

d



1

.

=2710(0,015.0,05 + 0,14.0,8.0,5334).1,15.01,9=209,466198 (kG.m)

2.2.2 Tỷ số truyền của hệ thống lái.

Tỷ số truyền của dẫn động lái I d

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

Id=0,85-1,1

Chọn sơ bộ Id=1 ( cho cầu dẫn hớng)

Tỷ số truyền của cơ cấu lái I.

Tỷ số truyền của cơ cấu lái loại này thờng 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.

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

i .

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

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

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

Tỷ số truyền lực của hệ thống lái.

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 đợc lực cản quay vòng(Pl)

l

c

l

P

P

I 

Trong đó:

R

M

P

c

M

P

l 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 lốp đến đờng trục đứng kéo dài

R - bán kính vành tay lái

(a) Tính toán các thông số hình học của hệ dẫn động lái.

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 dẫn hớng Khi đó các bánh xe dẫn hớng không có sự trợt khi xe chuyển động

- Đảm bảo quan hệ giữa góc quay của bánh xe dẫn hớng bên trái và bên phải sao cho các bánh xe lăn trên các đờng tròn khác nhau nhng đồng tâm

 Xây dựng đờng đặc tính ly thuyết của hệ thống lái cầu trớc

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

Cotg β-Cotg α=

L

B0

Trong đó :

β: Là góc quay của bánh xe dẫn hớng ngoài của cầu dẫn hớng α: Là góc quay của bánh xe dẫn hớng trong của cầu dẫn hớng

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

B0 : Khoảng cách giữa hai đờng tâm trụ quay đứng

rbx

c



Hình 2.4 - Sơ đồ động học khi quay vòng.

Theo hình vẽ : Cotg α=OD L

Ta tìm đợc mối quan hệ của các góc quay bánh xe dẫn hớng với góc α

nh sau :

 Cotg

L

B Cotg  0  Cho  các giá trị khác nhau từ 0 0

40

0  ta xác định đợc góc  tơng ứng theo bảng sau :

Bảng I: Bảng thông số của đ ờng đặc tính lý thuyết của các góc quay cầu dẫn h ớng



  0



  0

0 4,804 9,249 13,387 17,267 20,933 24,427 27,785 31,043

Từ bảng giá trị thu đợc ta xây dựng đợc quan hệ :

 f( )

L

B A

O

C 1 1 1

D

B0

Hình vẽ 2.5 - Đờng đặc tính lý thuyết

 Xây dựng đờng đặc tính thực tế

Nhiệm vụ cơ bản khi thiết kế hình thang lái Đantô là xác định đúng góc nghiêng của các đòn bên  khi xe chạy thẳng :

Hình vẽ 2.5 - Sơ đồ động học hình thang lái khi xe chạy thẳng.

Cần xác định góc  và độ dài mỗi đòn bên m và đòn ngang n

Quan hệ thực tế giữa các góc quay   phụ thuộc vào góc  và độ dài m của đòn bên

Khi xe chạy thẳng:

Từ sơ đồ dẫn động lái trên hình ta có thể tính đợc mối quan hệ giữa các thông số theo biểu thức sau:

m 2

n B sin   

B

0

n