tính toán, thiết kế và kiểm nghiệm hệ thống thủy lực trợ lực tay lái cho phương tiện giao thông

+ 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 thái chuyển động thẳng thì cần đặt lực lên vành tay

TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ KIỂM NGHIỆM

HỆ THỐNG THỦY LỰC TRỢ LỰC TAY LÁI

CHO PHƯƠNG TIỆN GIAO THÔNG

ĐỖ ĐẮC HOÀNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS LÊ XUÂN TRƯỜNG

KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động chung của hệ thống lái 03

2.1 Hệ thống lái cơ khí thông thường không trợ lực 25 2.2 Hệ thống lái có trợ lực không điều khiển điện tử 27

Chương IV Đánh giá động lực học quay vòng ô tô 66

4.2 Đánh giá động lực học quay vòng động của xe ô tô hai cầu (Tính

Chương V KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

2 Trọng lượng bản thân xe G 0 N

20 Mô men cản quay vòng của bánh xe M c

22

23

DANH M ỤC CÁC BẢNG BIỂU, SƠ ĐỒ VÀ HÌNH VẼ

Hình 1-1: Các phương pháp quay vòng xe cơ giới 01 Hình 1-2: Sơ đồ cấu tạo chung của hệ thống lái 03

Hình 1-4: Hộp số lái kiểu trục vít – cung răng 05

Hình 1-7: Hộp số lái kiểu trục vít – ê cu – bi – cung răng 07

Hình 1-11: Sơ đồ trụ đứng nghiêng trong mặt phẳng ngang 12 Hình 1-12: Các giai đoạn của quá trình quay vòng 13

Hình 1 - 22: Ổn định chạy trên đường thẳng nhờ có khoảng caster 20

Hình 1 - 23: Hồi vị bánh xe nhờ khoảng caster 20

Hình 2 - 9: Sơ đồ nguyên lý bơm trợ lực cánh gạt 33 Hình 2 - 10: Một số bộ phận của hệ thống lái trợ lực điều khiển điện tử 34 Hình 2 - 11: Sơ đồ bộ trợ lực lái điều khiển điện tử 34

Hình 2 - 14: Đồ thi thể hiện sự thay đổi tỷ số truyền 37 Hình 2 - 15: Vết của các bánh xe ở hệ thống lái trợ lực điều khiển điện tử 38

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

điện tử

38

Hình 3-2: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của bơm cánh gạt 41

Hình 3-4: Sơ đồ nguyên lý trợ lực lái ở vị trí trung gian 43 Hình 3-5: Sơ đồ nguyên lý trợ lực lái khi quay vòng 44 Hình 3-6: Van phân phối, xilanh lực đặt chung trong cơ cấu lái 45 Hình 3-7: Van phân phối, xilanh lực đặt thành một cụm, tách biệt với cơ

Hình 3-9: Bộ cường hóa bố trí van phân phối và cơ cấu lái đặt thành một

Hình 3-10: Cơ cấu trợ lực lái kết hợp đòn kéo ngang 47

Hình 3-12: Mạch điều khiển thuỷ lực của van quay 49

Hình 3-14: Sơ đồ mạch điều khiển thuỷ lực kiểu van ống 52

Hình 3-16: Sơ đồ lực ngang tác dụng lên bánh xe khi xe quay vòng 55 Hình 4 - 1: Mô hình tính toán động lực học cho ô tô 67

Hình 4 - 3: Mô hình phẳng một vệt của ô tô 71 Hình 4 - 5: Đồ thị đặc tính tốc độ vận tốc góc quay thân xe 77 Hình 4 - 6: Đồ thị đặc tính tốc độ của góc lệch bên 79 Hình 4 - 7: Đồ thị đặc tính tốc độ của gia tốc bên 80 Hình 4 - 1: Đường Đặc tính tốc độ của �βε̇

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 Từ khi ra đời cho đến nay, ngành công nghiệp ô tô đã trải qua nhiều giai đoạn 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 nay đòi

hỏi ô tô phải đảm bảo tính điều khiển ở mức độ cao Nhằm đảm bảo tính an toàn khi chuyển động của xe, hạn chế tối đa tai nạn giao thông xảy 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 Để giảm sự

mệt mỏi cho người lái, hệ thống trợ lực lái ra đời và phát triển không ngừng,

và cho đến nay, hệ thống trợ lực lái là một trong những hệ thống đương nhiên

phải có trên các phương tiện giao thông hiện đại

Đề tài “Tính toán, thiết kế và kiểm nghiệm hệ thống thủy lực trợ lực tay lái cho phương tiện giao thông” Với mục đích xem xét, tính toán và đánh giá

hệ thống thủy lực trợ lực cùng với đánh giá động lực học ô tô khi quay vòng

Từ đó đưa ra những lời khuyên để đảm bảo quỹ đạo chuyển động và ổn định cho xe khi chuyển hướng

Chương I: Tổng quan về hệ thống lái

Trình bày về nhiệm vụ, phân loại, yêu cầu, cấu tạo, nguyên lý hoạt động chung của một hệ thống lái Đưa ra một số bộ phận chính và các thông 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 cũng như từng

bộ phận của hệ thống lái đó Hệ thống lái thuần túy cơ khí, hệ thống lái có trợ

lực và hệ thống lái trợ lực có điều khiển

Chương III: Tính toán thiết kế trợ lực lái:

thích hợp của hệ thống trợ lực tay lái, từ đó tính toán các phần tử thủy lực

trong hệ thống

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

Xây dựng phương trình động lực học khi xe quay vòng, xác định các hàm

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 động của ô tô

Sau quá trình thực hiện, với sự cố gắng nỗ lực của bản thân và sự giúp đỡ

chỉ bảo tận tình của thầy giáo T.S Lê Xuân Trường đồ án đã được hoàn thành

Song do thời gian và trình độ bản thân còn hạn chế nên đồ án không tránh

khỏi những thiếu sót Em rất mong nhận được ý kiến chỉ bảo của các thầy cô

giáo đồ án được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo T.S Lê Xuân Trường cùng toàn thể

thầy cô giáo trong Viện Cơ khí động lực đã tạo điều kiện giúp đỡ em hoàn

thành luận văn này

Hà nội, Tháng 2 năm 2015

Học viên thực hiện

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 đổi hướng chuyển động của ô tô khi cần thiết Có thể thay đổi hướng chuyển 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 giới được sử

dụng phổ biến nhất hiện nay Phương pháp thay đổi hướng momen ở các bánh xe

chủ động thường áp dụng cho các loại xe cơ giới bánh xích Đối với xe bánh xích,

có thể kết hợp việc truyền momen khác nhau đến các bánh chủ động ở hai bên của

xe với việc hãm các bánh xe phía gần tâm quay vòng để quay vòng trên diện tích rất

nhỏ, thậm chí có thể quay vòng xe tại chỗ

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

nhất

1.1.2 Yêu cầu của hệ thống lái

H ệ thống lái phải đảm bảo các yêu cầu sau:

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

+ Đảm bảo động học quay vòng đúng cho các bánh xe dẫn hướng tránh trượt 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 thái chuyển động thẳng thì cần đặt lực lên vành tay lái nhỏ hơn khi xe đi vào đường vòng

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

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

1.1.3 Phân loại hệ thống lái

a) Phân lo ại theo cách bố trí cơ cấu lái

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

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

b) Phân lo ại 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 s ố 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

d) Theo nguyên lý làm vi ệc 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 có điều khiển điện tử

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

1.2.1 Cấu tạo

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 vành tay lái tạo

ra mô men quay để hệ thống lái làm việc Trục lái thường là một đòn dài (có thể

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 vành tay 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 chặt lên xà dọc (phần được treo của ô tô) Dẫn động lái có nhiệm vụ truyền chuyển động từ cơ cấu lái xuống bánh xe dẫn hướng đảm bảo tỷ số truyền nhất định và chủ yếu giữ được động học quay vòng đúng 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 đòn quay 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 dịch chuyển quanh trụ đứng, lệch phương chuyển động theo ý muốn của người lái

1.3 Các bộ phận chính của hệ thống lái

1.3.1 Trục lái

Trục lái bao gồm trục lái chính truyền chuyển động quay của vô lăng tới 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 Vô lăng được xiết vào trục lái bằng một

tác dụng lên người lái 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 dưới của

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 vô lăng 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 dẫn động lái

- Tăng lực tác động của người lái lên vành tay lái để thực hiện quay vòng xe nhẹ nhàng hơn

Cơ cấu lái hoạt động tương tự như một hộp số với hai bộ phận cơ bản được gọi quy ước là trục quay của cơ cấu lái và trục lắc của cơ cấu lái Trục quay là đầu vào

của cơ cấu lái, nó trực tiếp liên kết với đầu dưới của trục lái và thực hiện chuyển động quay theo chuyển động của trục lái Trục lắc là đầu ra của hộp số lái nó liên

kết với đòn lắc chuyển hướng 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 truyền động trục quay – trục lắc có thể phân biệt các kiểu cơ cấu lái sau:

Cơ cấu lái trục vít - cung răng:

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 - con lăn có cấu tạo

giống một trục vít vô tận Trên trục lắc của hộp số lái có một bộ phận gọi là con lăn Con lăn giống một bánh xe có ren phía ngoài Các ren của con lăn ăn khớp với các ren của trục vít Khi trục vít quay, con lăn sẽ quay quanh trục của nó đồng thời chuyển động dịch chuyển dọc theo trục của trục vít Kết quả của các chuyển động

đó là chuyển động xoay của trục lắc

Hộp số lái kiểu trục vít - con lăn được sử dụng khá phổ biến hiện nay Ưu điểm của

hộp số lái kiểu này là có kết cấu gọn, trục vít và con lăn có độ bền cao do ma sát

giữa chúng là ma sát lăn và ứng suất nhỏ nhờ có nhiều ren của con lăn và trục vít

tiếp xúc với nhau, hiệu suất cao, dễ điều chỉnh khe hở giữa các bộ phận liên kết trong hộp số lái

Cơ cấu lái kiểu trục vít – đòn lắc:

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 này còn gọi là kiểu cam đòn lắc

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

Hộp số lái kiểu trục vít - ecu - bi - cung răng có trục quay là một trục 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 chuyển động từ trục vít thông qua ecu và các viên bi Ecu có các răng thẳng phía 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 bao quanh 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, đồng thời làm cho ecu

dịch chuyển dọc theo trục vít Thông qua các răng của ecu và cung răng, chuyển động tĩnh tiến của ecu được biến đổi thành chuyển động xoay của trục lắc

Như trên hình vẽ đã thể hiện, chiếc êcu ăn khớp với trục vít nhờ các viên bi tròn Các bi này có hai tác dụng: một là nó giảm ma sát giữa các 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, các răng sẽ rời nhau ra trong chốc lát gây nên độ dơ

của tay lái

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 (đầu ra) Trục lắc là một thanh răng thẳng Hai đầu của thanh răng liên kết với hai thanh nối bên của dẫn động lái

Khi bánh răng quay, thanh răng sẽ chuyển động tịnh tiến trên mặt phẳng ngang sang trái hoặc phải tuỳ theo chiều quay của vành tay lái Trong dẫn động lái với hộp số lái kiểu bánh răng - thanh răng không có đòn lắc chuyển hướng mà thanh răng trực

tiếp truyền chuyển động ngang cho các thanh nối

1.3.3 Dẫn động lái

Dẫn động lái gồm hệ thống các đòn, các thanh liên kết với nhau để truyền lực

từ cơ cấu lái đến các bánh xe điều khiển, đồng thời đảm bảo cho các bánh xe của ô

tô quay vòng với động học đúng Bộ phận quan trọng của dẫn động lái là hình thang lái, có nhiệm vụ đảm bảo động học các bánh xe dẫn hướng của ô tô làm cho lốp xe không bị trượt, lê khi lái, giảm mòn lốp Kết cấu của hình thang lái phải phù hợp

với bộ phận dẫn hướng của hệ thống treo để khi bánh xe dao động thẳng đứng thì không ảnh hưởng đến động học của dẫn động lái

C ấu tạo hình thang lái điển hình (Hình 1-9)

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 lắc của hộp số lái bằng then hoa, đầu còn

lại liên kết với một đầu của thanh nối giữa bằng khớp cầu

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 chuyển động của đòn lắc chuyển hướng nhưng không truyền chuyển động đó cho bất cứ bộ phận nào Nó có chức năng đỡ thanh nối giữa ở độ cao như tại đòn lắc chuyển hướng để đảm bảo động học của hệ

thống lái

+ Thanh n ối 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 nối giữa có hai lỗ để liên kết với hai thanh

nối bên bằng các khớp cầu

+ Thanh n ối bên là bộ phận trực tiếp truyền chuyển động cho đòn chuyển hướng

trên ngỗng quay của bánh xe dẫn hướng Thông thường mỗi cơ cấu dẫn động lái có hai thanh nối bên, mỗi thanh nối bên được cấu thành từ ba đoạn được gọi là đầu trong, đầu ngoài, và đoạn điều chỉnh Đầu ngoài liên kết với đòn chuyển hướng Đầu trong liên kết với thanh nối giữa, thanh răng hoặc một bộ phận khác của ôtô tuỳ thuộc vào kiểu dẫn động lái Đoạn điều chỉnh dùng để thay đổi chiều dài toàn bộ

của 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

Với hình (H1-10a), ống điều chỉnh có ren, các đầu của đầu trong và đầu ngoài

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 bên tăng lên hoặc giảm đi tuỳ theo chiều xoay của

ốc điều chỉnh Các kẹp đàn hồi có tác dụng ngăn không cho ống điều chỉnh tự xoay trong quá trình ôtô vận hành

Với hình (H1-10b) bulông điều chỉnh có ren, các đầu trong và đấu ngoài của thanh nối bên cũng có ren, trong đó có một ren trái và một đầu 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 h ệ 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

T ỉ số truyền của cơ cấu lái i ω

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

Loại cơ cấu lái có tỉ số truyền thay đổi theo xu hướng giảm khi quay vành tay lái ra khỏi vị trí trung gian được sử dụng phổ biến Tỉ số truyền này có giá trị cực đại khi vành tay lái ở vị trí trung gian Như vậy 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 sẽ làm cho bánh dẫn hướng quay ít Đồng thời cũng làm giảm ảnh hưởng của những va đập từ bánh xe dẫn hướng lên vành tay lái Khi quay vành tay lái ra xa vị trí trung gian thì tỉ số truyền giảm nhanh, lúc này quay vành tay lái

một góc nhỏ cũng có thể làm cho bánh xe dẫn hướng quay một 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 là vấn 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 bộ trợ lực lái thì tỉ số truyền vẫn phải chọn

đủ lớn để người lái vẫn đủ sức lái xe

T ỉ số truyền của dẫn động lái i d

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 các đòn dẫn động sẽ thay đổi Trong các kết cấu hiện nay id thay đổi không nhiều lắm

id = 0,85 ÷ 1,1

T ỉ 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 số truyền của dẫn động lái

ig = iω id

T ỉ số truyền lực của hệ thống lái i l

Tỷ số của tổng lực cản khi ô tô quay vòng chia cho lực đặt trên vành tay lái

cần thiết để khắc phục được lực cản quay vòng

c: cánh tay đòn quay vòng, tức là khoảng cách từ tâm mặt tựa của lốp đến đường

từ 100 ÷ 300

Nếu tỉ số truyền ilđòi hỏi phải lớn hơn thì cần thiết phải đặt bộ trợ lực 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:

+ 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 1-12) đặc trưng

bằng bán kính quay vòng không đổi (R = const)

+ 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 giai đoạn này thi xe trở lại

trạng thái chuyển động thẳng (R =∞)

Trong trường hợp này ta chỉ khảo sát động học và động lực học quay vòng đều

của xe với bán kính quay vòng R = const và vận tốc quay vòng ω = const

Đối với chuyển động của các vật rắn, để các bánh xe ôtô không bị trượt khi quay vòng thì các đường thẳng đi qua trục các bánh xe phải cắt nhau tại một điểm là tâm quay vòng tức thời của xe (điểm O trên hình 1-12, 1-14)

Đối với xe hai cầu, trong đó cầu trước là dẫn hướng để tất cả các bánh xe không trượt khi quay vòng thì tâm quay vòng O của xe phải nằm trên đường tâm của cầu sau Đối với xe ba cầu, trong đó chỉ có một cầu trước là dẫn hướng thì các bánh xe

ở cầu giữa sẽ bị trượt khi quay vòng do các vecto vận tốc của các bánh xe này không nằm trong mặt phẳng lăn của chúng Muốn cho tất cả các bánh của xe ba cầu không trượt khi quay vòng thì xe phải có ít nhất hai cầu dẫn hướng Trong trường

hợp tổng quát nếu xe có n cầu thì điều kiện cần để tất cả các bánh xe không trượt khi quay vòng là số lượng cầu chủ động phải bằng n-1

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

B- Khoảng cách giữa hai đường tâm trục

L- Chiều dài cơ sở của xe

- Góc quay vòng

Góc đặt bánh xe có tác dụng làm cho xe vận hành ổn định trên đường thẳng, chạy theo đường vòng và khả năng phục hồi để chạy trên đường 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 các vấn đề như lái bị chém góc, lái không ổn định, trả lái trên đường vòng kém và tuổi thọ của lốp xe giảm

1.4.3.1 Góc nghiêng ngang của bánh xe (góc camper)

Khái ni ệm: Góc camper là góc bánh xe nghiêng về bên phải hay nghiêng về trái

đối với đường thẳng góc với mặt đường Khi phần trên của bánh xe nghiêng ra phía ngoài thì gọi là “Camber dương” Ngược lại, 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 với mặt đường nhằm ngăn

ngừa hiện tượng mòn không đều vì phần tâm đường thường cao hơn phần rìa đường Tuy nhiên nếu xe có góc camber dương 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 mòn nhanh, còn nếu bánh xe có độ camber dương quá lớn thì phần phía ngoài của lốp xe bị mòn nhanh

Trong các kiểu xe hiện đại, hệ thống treo và trục có độ bền cao hơn trước đây,

và mặt đường lại bằng phẳng nên bánh xe không cần nghiêng dương nhiều như

camber bằng không) Trên thực tế, bánh xe có camber âm đang được áp dụng phổ biến ở các xe du lịch để tăng tính năng chạy đường vòng của xe

Tác d ụng của góc camper dương:

+ Giảm tải theo phương thẳng đứng: Trong trường hợp góc camber bằng không,

tải trọng tác dụng lên trục bánh xe theo hướng F’ Khi có camber dương, tải trọng F’ này chuyển thành lực F tác dụng theo hướng cam lái Nhờ thế, mômen tác dụng lên trục bánh xe và cam lái giảm xuống

+ Ngăn ngừa sự tụt bánh xe: Tải trọng F tác dụng lên bánh xe có thể phân 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 ra khỏi trục

+ Ngăn cản góc camper âm ngoài ý muốn do tải trọng gây ra : Khi chất 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 tương ứng Góc doãng dương giúp chống lại

Tác d ụng của góc camper âm :

Giả sử có một tải trọng thẳng đứng tác dụng lên một bánh xe nghiêng thì sẽ sinh

ra một lực theo phương nằm ngang Lực này được gọi là “lực đẩy ngang”, nó tác

động theo chiều vào trong khi bánh xe có camber 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 trở nên dương hơn, lực quay vòng bị giảm xuống

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

Góc camper b ằng không

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

tập trung một bên lốp

Khái ni ệm : Góc Caster là góc nghiêng về phía trước hoặc phía sau của trục xoay

đứng Góc caster được xác định bằng góc nghiêng giữa trục xoay đứng và đường thẳng đứng, nhìn từ cạnh xe Khi trục xoay đứng nghiêng về phía sau thì được gọi là

“góc caster dương”, còn trục nghiêng về phía trước thì được gọi là “góc caster âm”

Hình 1 - 20: Góc caster và kho ảng caster

Khoảng cách từ giao điểm giữa đường tâm trục xoay đứng và mặt đường 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 ổn định khi xe chạy trên đường thẳng, còn khoảng caster thì ảnh hưởng đến tính năng hồi vị bánh xe sau khi chạy xe trên đường vòng Với bánh xe có góc caster dương lớn thì độ ổn định trên đường thẳng tăng lên, nhưng lại khó chạy trên đường vòng

Ảnh hưởng của góc caster :

+ Ổn định chạy thẳng : Đối với những xe có góc caster dương, độ ổn định 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 nâng thân xe lên Mômen kích này đóng

c

Góc Caster

(-) (+)

V

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 định trên đường thẳng của xe

+ 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 với mặt đường sẽ nằm phía trước tâm điển tiếp xúc giữa lốp xe với mặt đường Vì lốp xe được kéo về phía trước nên lực kéo này sẽ lấn át các lực có xu hướng làm cho bánh xe mất ổn định,

giữ cho bánh xe chạy ổn định theo đường thẳng

Hình 1 - 23: H ồi vị bánh xe nhờ khoảng caster

Khi bánh xe được chuyển hướng sang một bên (do lái hoặc do trở ngại khi chạy trên đường thẳng) thì sẽ phát sinh các lực bên F2 và F’2 Những lực bên này có tác dụng làm quay trục xoay đứng (nhờ có khoảng caster) và có xu hướng hồi vị bánh xe về

vị trí ban đầu của nó (lực hồi vị T và T’) Vào lúc này, với cùng một lực bên như nhau, nếu khoảng caster lớn, lực hồi vị bánh xe cũng lớn Vì vậy, khoảng caster càng lớn thì độ ổn định trên đường thẳng và lực hồi vị càng lớn

+ Góc caster dương đến bánh xe và thân xe: Với góc caster dương cho cả hai bánh xe trước, thân sẽ dạt ra ngoài khúc quanh Đối với trường hợp caster dương, khi lái xe về bên phải, bên trái của xe xụm xuống trong lúc mé bên phải của xe lại

nhấc lên cao làm cho xe dạt ra 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 dễ lật 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 với trường hợp nghiêng

dọc âm, khi lái xe về bên phải, bên trái của xe được nâng lên trong lúc mé bên phải

của xe xụm xuống Có nghĩa là thân xe dạt vào phía trong của vòng quay, động tác này chống trả lại với lực ly tâm muốn đẩy xe ra ngoài của vòng quay Kiểu thiết kế này tạo được an toàn cho xe khi vòng qua một khúc quanh với vận tốc lớn, nhất là

với ôtô đua cao tốc

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

Khái ni ệm :

Hình 1 - 24: Góc kingpin

Góc kingpin của chốt chuyển hướng, còn gọi là góc nghiêng ngang của chốt

chuyển hướng, là góc đo giữa trục xoay và đường thẳng góc với mặt đường khi ta nhìn vào đầu xe

Tác d ụng của góc kingpin :

+ Giảm lực đánh tay lái : Khi bánh xe quay sang phải và sang trái quanh trục xoay đứng với khoảng lệch là bán kính Khoảng lệch lớn sẽ sinh ra momen lớn

quanh trục xoay đứng do sự cản lăn của lốp, vì vậy làm tăng lực tay lái Để giảm

bớt lực lái, ta có thể giảm độ lệch bằng 2 cách Tăng góc kingpin hoặc làm lốp có góc camber dương

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

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

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 thiện bằng cách giảm khoảng lệch

1.4.3.4 Độ chụm đầu

trên xuống Góc lệch của bánh xe được gọi là góc chụm Khi phần phía trước của các bánh xe gần nhau hơn so với phần phía sau thì được gọi là “độ chụm”, và nếu ngược lại thì được gọi là “độ choãi”

Mục đích của góc chụm là đảm bảo độ ổn định chạy trên đường thẳng 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 trước của mỗi bánh xe chụm vào trong (Độ chụm), thì xe có khuynh hướng chạy theo hướng ngược lại hướng nghiêng Vì vậy,

độ ổn định khi chạy trên đường thẳng được duy trì

Tuy nhiên nếu độ chụm vào quá lớn, độ trượt bên sẽ làm cho lốp xe mòn không đều Nếu độ choãi ra quá lớn thì khó đảm bảo độ ổn định chạy 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 xe một 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, phù hợp với tâm quay của cả bốn bánh xe thì độ ổn định của xe chạy trên đường vòng sẽ tăng lên

Hình 1 - 28: Góc quay vòng

Ví dụ, đối với loại hệ thống lái có góc quay bánh xe dẫn hướng giống nhau tức

là góc lái của bánh xe bên phải và bên trái bằng nhau (α = β) Và mỗi bánh xe sẽ quay quanh một tâm quay khác nhau (O1 và O2), mặc dù chúng có bán kính quay bằng nhau (r1 = r2) Vì vậy, sẽ xuất hiện sự trượt bên ở một trong hai bánh xe

Với hệ thống lái có góc quay bánh xe dẫn hướng khác nhau, các bánh xe bên phải và bên trái sẽ có góc quay khác nhau (α ≠ β) Nên chúng có thể điều chỉnh để

có bán kính quay khác nhau (r1 > r2) để quay quanh cùng một tâm (O), nhờ thế mà

có được góc lái đúng

CHƯƠNG II: MỘT SỐ HỆ THỐNG LÁI THÔNG DỤNG

2.1 Hệ thống lái cơ khí thông thường không trợ lực

Cấu tạo:

Hệ thống lái cơ học loại trục vít - bánh vít, dạng bánh răng hình quạt, gồm có vành tay lái hay vô lăng (1) cố định với trục lái (2) Trục lái được lồng hay đặt trong ống lái và nối với cơ cấu lái hay bộ truyền lực chính, loại trục vít (3) và bánh vít

dạng bánh răng hình quạt (4) Trục của bánh răng hình quạt cố định với đòn quay đứng (5), thanh kéo dọc (6) nối bản lề với đòn quay đứng (5) và đòn quay ngang (7) Mặt bích (8) và trục hay ngỗng trục của bánh xe dẫn hướng (13) quay xung quanh trục đứng (12), đồng thời nối cố định với thanh nối (9) Thanh ngang (10) và

dầm đỡ hay cầu trước (11)

Nguyên lý làm việc:

Khi thay đổi hướng chuyển động của ôtô, giả sử quay vòng sang bên phải, người lái phải quay vô lăng hay vành tay lái (1) theo chiều kim đồng hồ, qua cơ cấu lái (trục vít (3) và bánh răng hình quạt (4), đòn quay (5), thanh kéo dọc (6), đòn quay ngang (7), làm cho mặt bích (8) và trục của bánh xe (13) ở bên trái quay quanh

trục đứng 12 theo chiều quay của vô lăng, đồng thời qua thanh nối (9) và thanh ngang hay đòn đẩy (10), làm cho mặt bích và trục của bánh xe dẫn hướng bên phải cũng theo chiều quay của vô lăng

2.1.2 Hệ thống lái loại thanh răng – bánh răng

Cấu tạo:

Hệ thống lái cơ học loại thanh răng-bánh răng gồm có : Vành tay lái hay vô lăng (1) cố định với trục lái (2) Trục lái (2) lồng hay đặt trong ống lái và nối với trục bánh răng A của cơ cấu lái (3) Thanh kéo (4) cố định với thanh răng B của cơ cấu lái và nối bản lề với tay đòn (5) Tay đòn (5) cố định với trục hay ngỗng trục (7) của bánh xe dẫn hướng (8) và quay xung quanh trục đứng (6)

Nguyên lý hoạt động:

Khi thay đổi hướng chuyển động của ôtô, giả sử quay vòng sang bên trái, người

đồng hồ, qua cơ cấu lái (3), thanh kéo (4) và tay đòn (5), làm cho trục (7) của bánh

xe dẫn hướng (8) ở bên trái quay xung quanh trục đứng 6 theo chiều quay của vô lăng Đồng thời qua thanh kéo (4’), tay đòn (5’) làm cho trục (7’) của bánh xe dẫn hướng bên phải (8’) cũng quay xung quanh trục đứng (6’) theo chiều quay của vô lăng hay bánh xe dẫn hướng bên trái (8)

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

Các hệ thống lái cơ học loại thường (không có trợ lực) đã đáp ứng được phần

lớn các yêu cầu của hệ thống lái Nhưng vẫn còn chưa được hoàn thiện lắm ở chỗ khi quay xe người lái phải sử dụng lực tương đối lớn tác dụng lên vành tay lái để làm quay bánh dẫn hướng gây ra mệt mỏi cho người lái Chính vì thế mà hệ thống lái có trợ lực đã đáp ứng được các yêu cầu trên

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

2.2.1 Khái quát hệ thống lái trợ lực

Để tăng tính an toàn, các nhà chế tạo đã nghĩ ra cách tăng diện tích và giảm áp

suất của lốp xe để tăng cường khả năng bám đường khi xe di chuyển với tốc độ cao Nhưng như vậy cần nhiều lực đánh lái hơn do tăng diện tích tiếp xúc lốp Nếu tăng

tỷ số truyền thì rõ ràng sẽ giảm được lực đánh lái nhưng khi lái xe bạn phải quay vô lăng nhiều hơn Vậy có cách nào để vừa giảm được lực đánh lái mà không phải

quay vô lăng quá nhiều Các nhà chế tạo đã lắp thêm cho hệ thống lái các thiết bị

phụ trợ gọi là hệ thống lái có trợ lực lái

Hiện có hai loại phổ biến là trợ lái thuỷ lực và trợ lái điện Trong đó dòng xe

có trợ lái thuỷ lực chiếm tỷ trọng lớn hơn Ngoài ra chiếm một tỷ trọng nhỏ là một

số loại xe trang bị hệ thống trợ lái thuỷ lực – điện EHPS (electro-hydraulic power steering)

2.2.2 Bộ trợ lực lái loại khí

Cấu tạo :

6-Đồng hồ đo áp suất khí; 8,14-Lỗ thông với khí trời; 9,13-Van kép; 10-Đòn ngang đóng mở van kép; 11-Đòn quay dẫn động đòn ngang 10; 12,20-Thanh dẫn động;

23-Đòn ngang; 24 Cam hay ngỗng trục; 25-Bánh xe dẫn hướng; 26-Trụ hay chốt đứng; 27-Thanh nối của hình thang lái

Nguyên lý hoạt động:

Khi thay đổi hướng chuyển động của ôtô giả sử quay vòng sang bên trái, người

cấu lái 18, đòn quay đứng 19, thanh 20 dịch chuyển sang trái kéo thanh 12 và đòn

11, làm cho đòn ngang 10 đẩy van kép 9 đi xuống Khí nén từ bình chứa 4, theo đường 7 vào buồng hay khoang A lên buồng B rồi theo đường 3 tới khoang D của xilanh 1, đẩy pittông 2 sang trái, qua cần 21, thanh 12, thanh kéo dọc 22, đòn quay ngang 23, cam hay ngỗng trục 24 làm cho bánh xe dẫn hướng 25 quay sang trái Lúc này khoang E của xilanh1 vẫn được thông với khí trời nhờ đường 15, buồng B

phẩy, buồng C phẩy và lỗ 14

Khi cần vòng xe sang phải, thì phải xoay vô lăng theo chiều ngược lại và trình

tự quá trình xảy ra tương tự nhưng van kép 9 đóng đường dẫn khí từ buồng A sang

buồng B, đồng thời nối thông khoang D, buồng B và buồng C với khí trời Van kép

13 đi xuống khí từ buồng A và buồng B phẩy theo đuờng 15 vào khoang E đẩy pittông 2 sang bên phải, làm cho bánh xe dẫn hướng 25 lại quay sang bên phải

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

Hình 2 - 6: Sơ đồ hệ thống lái trợ lực thủy lực loại bánh răng xoắn - thanh răng

2 Bơm cánh gạt 6 Vô lăng

3 Van điều khiển 7 Động cơ

Các bộ phận chính của hệ thống lái có trợ lực thủy lực được chỉ ra trên hình vẽ

Hệ thống lái sử dụng công suất động cơ để dẫn động cho bơm trợ lực tạo ra áp suất Khi xoay vô lăng sẽ chuyển mạch một đường dẫn dầu tại van điều khiển Nhờ áp

suất dầu này mà píttông trong xilanh trợ lực được đẩy đi và làm quay bánh xe dẫn hướng Do vậy, nhờ áp suất dầu thuỷ lực mà lực đánh lái vô lăng sẽ giảm đi và không phải quay tay lái quá nhiều