Phân tích đặc tính động lực học của hệ thống lái trợ lực thủy lực trong xe ô tô

Là giảng viên khoa Cơ khí động lực - Trường Cao đẳng kỹ thuật Công Nghiệp- Bắc Giang, để đáp ứng yêu cầu giảng dạy, nghiên cứu khoa học và nâng cao kiến thức chuyên ngành, tôi chọn đề tà

i

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Vũ Hoàng Sơn

Sinh ngày: 22 tháng 6 năm 1982

Tác giả luận văn

Vũ Hoàng Sơn

ii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ iv

DANH MỤC BẢNG BIỂU viii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ix

LỜI NÓI ĐẦU ix

CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU 1

1 1 Đặt vấn đề 1

1.2 Tình hình nghiên cứu về hệ thống lái trên thế giới 2

1.3 Tình hình nghiên cứu về hệ thống lái trong nước 3

1 4 Lý do lựa chọn đề tài 4

1.5 Mục tiêu của đề tài 5

1.6 Phạm vi nghiên cứu 5

CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LÁI VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT 7

2.1 Tổng quan về hệ thống lái 7

2.1.1 Nhiệm vụ, phân loại, yêu cầu của hệ thống lái 7

2.1.2 Kết cấu của hệ thống lái 9

2.1.3 Dẫn động lái 12

2.1.4 Hình thang lái 13

2.2 Hệ thống lái có trợ lực thủy lực 14

2.2.1 Giới thiệu 14

2.2.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống lái trợ lực thủy lực 16

2.2.3 Các bộ phận của hệ thống 17

2.3 Cơ sở lý thuyết 32

2.3.1 Phương trình dòng chảy qua khe hẹp 32

2.3.2 Phương trình van thủy lực 34

2.3.3 Phương trình dòng chảy liên tục 35

iii

2.3.4 Phương trình lực và mômen của cơ cấu chấp hành 36

2.3.5 Giải các phương trình của hệ thống, mô phỏng máy tính 37

CHƯƠNG 3 : MÔ PHỎNG HỆ THỐNG LÁI TRỢ LỰC THUỶ LỰC 39

3.1 Sơ đồ nghiên cứu hệ thống lái có trợ lực thuỷ lực 39

3.1.1 Sơ đồ nghiên cứu 39

3.1.2 Nguyên lý làm việc 40

3.2 Xây dựng mô hình toán học của hệ thống lái trợ lực 43

3.3 Xây dựng chương trình mô phỏng Matlab SIMULINK 48

CHƯƠNG 4 : KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN 54

KẾT LUẬN 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

iv

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 2.1 Cấu tạo chung của hệ thống lái 7

Hình 2.2 Hệ thống lái với các bánh dẫn hướng ở tất cả các cầu 8

Hình 2.3 Cấu tạo của cơ cấu lái thường 10

Hình 2.4 Cơ cấu lái loại trục vít - thanh răng 11

Hình 2.5 Cơ cấu loại bi tuần hoàn 12

Hình 2.6 Cấu tạo chung của dẫn động lái 13

Hình 2.7 Sơ đồ hình thang lái 14

Hình 2.8 Sơ đồ cấu tạo của hệ thống lái có trợ lực 15

Hình 2.9 Khi quay vòng sang trái 16

Hình 2.10 Khi quay vòng sang phải 17

Hình 2.11 Cấu tạo của bơm trợ lực 18

Hình 2.12 Cấu tạo của các loại van điều khiển lưu lượng 19

Hình 2.13 Sơ đồ bố trí thiết bị bù không tải 20

Hình 2.14 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của bơm dầu …21

Hình 2.15 Sơ đồ nguyên lý làm việc của van điều khiển lưu lượng(ở tốc độ thấp)……… … 22

Hình 2.16 Sơ đồ nguyên lý làm việc của van điều khiển lưu lượng(ở tốc độ trung bình)………23

Hình 2.17 Sơ đồ nguyên lý làm việc của van điều khiển lưu lượng(ở tốc độ cao)……… 24

v

Hình 2.18 Sơ đồ nguyên lý làm việc của van an toàn 24

Hình 2.19 Cấu tạo chung của hộp cơ cấu lái có trợ lực 25

Hình 2.20 Cấu tạo chung của hộp lái dùng van điều khiển kiểu van quay 26 Hình 2.21 Cấu tạo chung của hộp lái dùng van điều khiển kiểu van quay 27 Hình 2.22 Sơ đồ nguyên lý làm việc của van quay (ở vị trí trung gian) 28

Hình 2.23 Sơ đồ nguyên lý làm việc của van quay (khi quay phải) 29

Hình 2.24 Sơ đồ nguyên lý làm việc của van quay (khi quay trái) 29

Hình 2.25 Sơ đồ nguyên lý làm việc của trợ lực lái bằng thủy lực (loại dùng con trượt) 30

Hình 2.26 Dòng chảy qua một khe trong ống 33

Hình 2.27 Van thủy lực có độ trầm âm 34

Hình 2.28 Lưu lượng khối lượng vào và ra của một thể tích 35

Hình 2.29 Lực tác động lên các cơ cấu chấp hành 36

Hình 2.30 Các thành phần tổn thất lực và mômen của một xy lanh hoặc động cơ 37

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý làm việc hệ thống lái có trợ lực thuỷ lực 39

Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý van phân phối dầu 41

Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý của xy lanh thủy lực 42

Hình 3.4 Sơ đồ hệ phản hồi 43

Hình 3.5 Chương trình mô phỏng cho khối liên hệ ngược 49

vi

Hình 3.6 Chương trình mô phỏng cho khối van phân phối 50

Hình 3.7 Chương trình mô phỏng cho khối phương trình liên tục P1 51

Hình 3.8 Chương trình mô phỏng cho khối phương trình liên tục P2 52

Hình 3.9 Chương trình mô phỏng góc quay bánh xe dẫn hướng 53

Hình 3.10 Chương trình mô phỏng tổng 53

Hình 3.11 Chương trình con mô phỏng cho lực ma sát 53

Hình 4.1 Đồ thị biểu diễn quy luật góc quay vô lăng 56

Hình 4.2 Đồ thị biểu diễn độ dịch chuyển thanh ngang 56

Hình 4.3 Đồ thị biểu diễn quá trình dịch chuyển của van 57

Hình 4.4 Đồ thị góc quay của bánh xe 58

Hình 4.5 Đồ thị biều diễn áp suất P1 và P2 58

Hình 4.6 Đồ thị biều diễn lực trợ tạo ra bởi xy lanh trợ lực 59

Hình 4.7 Đồ thị biểu diễn quy luật góc quay vô lăng (đánh lái trái) 60

Hình 4.8 Đồ thị biểu diễn độ dịch chuyển thanh ngang(đánh lái sang trái)60 Hình 4.9 Đồ thị biểu diễn quá trình dịch chuyển của van ((đánh lái sang trái) 61

Hình 4.10 Đồ thị biểu diễn góc quay bánh xe dẫn hướng 61

Hình 4.11 Đồ thị biều diễn lực trợ tạo ra bởi xy lanh trợ lực (đánh lái sang trái)……… 62

Hình 4.12 Đồ thị độ dịch chuyển thanh ngang trong hai điều kiện của lực tác dụng lên bánh xe 62

vii

Hình 4.13 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi quy luật đánh lái 63 Hình 4.14 Đồ thị biểu diễn độ dịch của thanh ngang trong hai trường hợp của tốc độ quay vô lăng 64 Hình 4.15 Đồ thị biểu diễn góc bánh xe dẫn hướng với góc đánh lái nhanh

và chậm trái) 64 Hình 4.16 Đồ thị áp suất P1 và P2 thi thay đổi áp suất nguồn 65 Hình 4.17 Đồ thị góc quay bánh xe dẫn hướng 65

viii

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 4.1: Thông số được sử dụng trong chương trình mô phỏng với loại ôtô tải

có trọng lượng 5 tấn 55 Bảng 4.2: Giá trị của các thông số của phương trình ma sát được sử dụng trong

mô phỏng 56

x

LỜI NÓI ĐẦU

Sự phát triển của nền kinh tế Việt nam hiện nay, cùng với xu thế toàn cầu hoá đã tạo điều kiện thuận lợi cho nền công nghiệp ôtô phát triển Với chiến lược phát triển của nhà nước về lĩnh vực sản xuất cơ khí nói chung và ngành công nghiệp ôtô nói riêng thông qua chính sách thuế nhập khẩu đã bảo hộ nền công nghiệp ôtô trong nước, đặc biệt là lĩnh vực nội địa hoá các linh kiện và phụ tùng ôtô Điều đó đặt ra một đòi hỏi thực tế là cần một đội ngũ kỹ thuật đông đảo đặc biệt là đội ngũ thiết kế

Việc nghiên cứu lý thuyết tiến tới chế tạo hệ thống lái có trợ lực thuỷ lực

là một trong những nội dung quan trọng trong chính sách nội địa hoá các linh kiện và phụ tùng ôtô

Là giảng viên khoa Cơ khí động lực - Trường Cao đẳng kỹ thuật Công Nghiệp- Bắc Giang, để đáp ứng yêu cầu giảng dạy, nghiên cứu khoa học và nâng cao kiến thức chuyên ngành, tôi chọn đề tài:

Phân tích đặc tính động động lực học của

hệ thống lái trợ lực thuỷ lực trong xe ô tô

Đề tài này tập trung vào việc nghiên cứu hệ thống trợ lực lái bằng thủy lực, xây dựng các phương trinh động lực học của hệ thống, khảo sát và phân tích đặc tính lái của hệ thống dưới các điều kiện hoặt động khác nhau của xe

Kết quả nghiên cứu của đề tài có thể là cơ sở lý thuyết cho việc nghiên cứu về hệ thống lái có trợ lực bằng thuỷ lực, đồng thời mở ra một hướng tiếp cận mới về việc khảo sát hệ thống bằng cách xây dựng các mô hình mô phỏng

hệ thống lái nói riêng và các hệ thống thuỷ lực nói chung

Đề tài nghiên cứu đã nhận được sự động viên, cổ vũ và chỉ bảo tận tình của Thầy TS Trần Xuân Bộ và các Thầy trong bộ môn Ôtô - Xe chuyên dùng Viện Cơ khí Động lực Trường ĐHBK Hà nội, cùng vớí các ý kiến đóng góp của

Hà nội, ngày tháng năm 2016

Tác giả

Vũ Hoàng Sơn

1

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU

1 1 Đặt vấn đề

Để phục vụ quá trình công nghiệp hoá - hiện đại hoá đất nước, giao thông vận tải nói chung và giao thông đường bộ nói riêng đóng vai trò rất quan trọng

Vì vậy nhà nước đã đưa ra chính sách ưu tiên phát triển cho ngành công nghiệp

ô tô Để có nền công nghiệp ô tô phát triển đòi hỏi phải phát triển được các ngành công nghiệp phụ trợ đặc biệt là lĩnh vực sản xuất linh kiện và phụ tùng ôtô

Trên thực tế sau 20 năm mở cửa nền kinh tế và đổi mới chính sách chúng

ta mới chỉ xây dựng được các nhà máy sản xuất ô tô dựa trên việc nhập khẩu phụ kiện và công đoạn sản xuất chủ yếu là lắp ráp nên trình độ sản xuất và khả năng cạnh tranh trên thị trường còn bị rất nhiều hạn chế Từ thực tế đặt ra nhu cầu rất lớn cho các doanh nghiệp và các tổ chức nghiên cứu nhanh chóng đẩy mạnh việc nội địa hoá phụ tùng và các linh kiện ô tô

Mặt khác, cùng với sự gia tăng về số lượng, chủng loại ô tô đòi hỏi các Trường đào tạo cung cấp cho thị trường lao động ngày càng nhiều các kỹ thuật viên có chất lượng tốt để phát triển hệ thống dịch vụ sau bán hàng, bảo dưỡng và sửa chữa ô tô Do đó rất cần thiết phải nghiên cứu và đào tạo về lý thuyết đồng thời phải đẩy mạnh việc trang bị công nghệ để chế tạo và thử nghiệm các hệ thống và cụm chi tiết trên ôtô

Hệ thống lái ô tô có vai trò thay đổi hướng chuyển động hoặc giữ cho ô tô chuyển động theo một quỹ đạo xác định nào đó, nên nó có cả chức năng điều khiển linh hoạt và chức năng đảm bảo an toàn cho ô tô Nó là một trong những cụm tổng thành chính của ôtô Để đáp ứng các chức năng trên yêu cầu hệ thống lái phải đạt được các nội dung sau:

- Quay vòng ô tô thật ngoặt trong một thời gian rất ngắn trên một diện tích rất bé và động học quay vòng phải đúng để các bánh xe không bị trượt khi quay vòng

2

- Điều khiển lái phải nhẹ nhàng thuận tiện tránh được các va đập truyền từ mặt đường qua bánh dẫn hướng lên vành lái

- Giữ được chuyển động thẳng ổn định

Để cải thiện điều kiện làm việc cho người lái xe hầu hết trên các ô tô hiện nay đều trang bị hệ thống thuỷ lực dẫn động điều khiển và trợ lực lái Hệ thống này có chức năng làm giảm lực điều khiển trên vành tay lái và tăng tính an toàn của hệ thống điều khiển lái

Việc nghiên cứu động lực học các hệ thống dẫn động cơ khí thuần tuý đã gặp nhiều khó khăn thì việc nghiên cứu các hệ thống thuỷ lực là một trong những vấn đề rất phức tạp do các quá trình vật lý xảy ra trong hệ thống khi làm việc Mặt khác, đề đáp ứng được yêu cầu của tải thì các quá trình xảy ra là các quá trình phi tuyến, và hàm mô tả thường là các hàm nhiều biến ở dạng hàm ẩn hoặc biến đổi không theo quy luật ổn định, vì dùng chất lỏng dẫn động nên có nhiều loại tổn thất ảnh hưởng không tốt tới đặc tính làm việc của toàn bộ hệ thống

Từ các yêu cầu trên đòi hỏi các nhà khoa học và chuyên gia kỹ thuật nghiên cứu tìm ra các phương pháp tính toán động lực học quay vòng và tính toán hệ thống trợ lực thuỷ lực để khắc phục hiện tượng mất ổn định của hệ thống như hiện tượng dao động bánh xe dẫn hướng, sai lệch điều khiển ở tốc độ cao do trượt ngang, mòn lốp…

Để sử dụng và khai thác có hiệu quả tất cả các tính năng của hệ thống trợ lực lái, việc nghiên cứu và nắm vững hệ thống điều khiển thuỷ lực là rất cần thiết, nội dung này đã được các trường đào tạo đưa vào nghiên cứu giảng dạy nhiều năm qua Nhưng nhìn chung hiệu quả còn chưa cao và có những khó khăn chung là: tài liệu tham khảo còn ít, điều kiện thực hành thí nghiệm còn bị hạn chế, thiếu các mô hình học cụ phục vụ cho công tác đào tạo và nghiên cứu Kết quả kiến thức tiếp thu được còn có khoảng cách rất xa với thực tiễn

1.2 Tình hình nghiên cứu về hệ thống lái trên thế giới

Việc nghiên cứu và chế tạo hệ thống lái nói chung và hệ thống lái trên ô tô nói riêng đã được rất nhiều nhà khoa học trên thế giới thực hiện từ nhiều năm qua Hiện nay hệ thống này đã rất hoàn thiện về kết cấu cũng như tính năng điều khiển dẫn động lái hai bánh dẫn hướng và nhiều bánh dẫn

3

hướng Đặc biệt người ta đã nghiên cứu ứng dụng và chế tạo thành công hệ thống điều khiển lái điện tử có khả năng lái xe tự động trên loại đường đặc biệt Ngoài ra hướng nghiên cứu về hệ thống điều khiển lái hiện nay trên thế giới là:

- Xây dựng các phần mềm mô phỏng hoạt động và kiểm tra các chỉ tiêu động lực học và chỉ tiêu ổn định để tối ưu hoá các kết cấu của hệ thống lái phù hợp với từng loại xe

- Xây dựng các mô hình thử nghiệm hệ thống lái ở dải tốc độ cao để khảo sát ổn định hướng chuyển động của ô tô dưới tác động của cản gió ngang

và tác động của mặt đường

- Thí nghiệm và khảo sát sự ảnh hưởng làm việc của hệ thống phanh và hệ thống treo tới các chỉ tiêu chất lượng của hệ thống lái nhằm đồng bộ hóa các kết cấu giúp tăng cường độ tin cậy làm việc của ôtô

- Nghiên cứu ứng dụng công nghệ thông tin và công nghệ điện tử vào việc hoàn thiện các kết cấu và tối ưu hoá tính năng điều khiển tiến tới mục tiêu thiết kế chế tạo hệ thống lái thông minh có khả năng thích ứng cao với các điều kiện môi trường và đường giao thông hiện đại

Do đó tất cả các tập đoàn sản suất ô tô lớn trên thế giới đều có quan hệ mật thiết với các trung tâm nghiên cứu để xây dựng và thử nghiệm các phần mềm thiết kế chuyên dụng cho các hệ thống trên ô tô đồng thời thúc đẩy quá trình nghiên cứu, sáng tạo nhằm ngày càng hoàn thiện về mặt công nghệ và kỹ thuật

1.3 Tình hình nghiên cứu về hệ thống lái trong nước

Với sự phát triển nhanh về khoa học kỹ thuật và công nghệ thông tin, cùng với xu hướng toàn cầu hoá đã tạo điều kiện thuận lợi cho các công trình nghiên cứu về thuỷ lực và hệ thống điều khiển thuỷ lực nói chung và hệ thống lái ôtô nói riêng có những bước tiến vượt bậc

4

Đã có nhiều công trình nghiên cứu ứng dụng thành công vào thực tiễn góp phần cải thiện điều kiện nghiên cứu, đào tạo và sản xuất Đặc biệt các chuyên gia đã tập trung vào việc ứng dụng các phần mềm chuyên dụng như Alaska, ANSYS, SIMULINK, AUTOMATION STUDIO có thể mô phỏng các hệ thống điều khiển thuỷ lực đặc biệt là lĩnh vực nghiên cứu về hệ thống phanh trên

ô tô, hệ thống điều khiển xe quân sự máy công trình và thuỷ lợi

Các công trình đã nghiên cứu về hệ thống lái gồm có:

- Công trình nghiên cứu của GS TSKH Đỗ Sanh về động học, động lực học quay vòng xe ở tốc độ cao

- Công trình nghiên cứu của PGS TS Nguyễn Khắc Trai về lý thuyết quay vòng và các yếu tố ảnh hưởng đến chỉ tiêu ổn định khi quay vòng đã đề cập trong luận án tiến sỹ và cuốn giáo trình “Tính điều khiển và quỹ đạo chuyển động của ôtô” xuất bản năm 1997

- Công trình nghiên cứu của TS Lê Hồng Quân và TS Nguyễn Xuân Thiện trong khuôn khổ đề tài cấp nhà nước KHCN-05-09 về nghiên cứu thử nghiệm thành công bộ trợ lực lái thuỷ lực do Việt nam chế tạo áp dụng cho

5

không phù hợp với các kết cấu hiện đại do dải tốc độ của ôtô hiện nay đã được cải thiện vượt bậc đạt trên ngưỡng > 200 km/h, đòi hỏi phải có cơ sở lý thuyết khảo sát mới Việc khảo sát các yếu tố gây mất ổn định của hệ thống thuỷ lực bằng thực nghiệm là điều rất khó khả thi về kinh phí cũng như điều kiện thí nghiệm không cho phép đặc biệt là các trang tiết bị đo lường ở Việt nam còn rất hạn chế và không đồng bộ Thêm vào đó, xu hướng hiện đại là ứng dụng công nghệ thông tin thông qua các phần mềm tính toán, mô phỏng vào việc nghiên cứu hệ thống thuỷ lực nói chung và hệ thống lái nói riêng Do đó, luận văn này được đề xuất để nghiên cứu lý thuyết về động lực học của hệ thống lái trợ lực thủy lực sử dụng phần mềm MATLAB/SIMULINK nhằm hiểu rõ hệ thống lái trợ lực thủy lực

1.5 Mục tiêu của đề tài

Nhiệm vụ đặt ra của đề tài là nghiên cứu xây dựng lý thuyết mô hình toán học hệ thống lái ôtô có trợ lực thuỷ lực, từ đó ứng dụng khảo sát động lực học hệ thống và có kết luận về các yếu tố ảnh hưởng đến động lực học và tính ổn định làm việc của hệ thống dưới các điều kiện hoạt động khác nhau

Kết quả của đề tài là cơ sở nghiên cứu tiến tới hoàn thiện mô hình mô phỏng hệ thống lái từ đó ứng dụng vào việc khảo sát động học tính toán kiểm nghiệm, đồng thời làm tài liệu tham khảo cho những hướng nghiên cứu sau này

1.6 Phạm vi nghiên cứu

Nội dung nghiên cứu của luận văn này tập trung ở ba nội dung chính sau đây:

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về hệ thống lái và hệ thống trợ lực thuỷ lực;

- Xây dựng mô hình toán học của hệ thống lái ôtô có trợ lực thuỷ lực trong trường hợp nói chung;

- Khảo sát động lực học hệ thống lái ôtô có trợ lực thuỷ lực dựa trên mô hình được phát triển dưới các điều kiện hoạt động khác nhau của tải, tốc

6

độ đánh lái, áp suất nguồn từ đó đưa ra những kết luận về các nhân tố ảnh hưởng đến tính ổn định của hệ thống

7

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LÁI VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan về hệ thống lái [3]

2.1.1 Nhiệm vụ, phân loại, yêu cầu của hệ thống lái

*Theo vị trí tay lái:

- Tay lái bên trái (tay lái thuận)

- Tay lái bên phải (tay lái nghịch): Anh, Nhật, Thụy Điển, …

8

* Theo số lượng bánh dẫn hướng

- Hệ thống lái với các bánh dẫn hướng ở cầu trước

- Hệ thống lái với các bánh dẫn hướng ở cầu trước và cầu sau 4WS (Hình 2.2): Đây là một thiết bị làm thay đổi hướng không chỉ của các bánh trước mà cũng của cả các bánh sau Khi thay đổi hướng chuyển động của xe, loại xe thông thường thì chỉ đổi hướng các bánh trước nhưng xe 4WS cũng chuyển hướng các bánh sau theo các yếu tố như góc quay vô lăng và tốc độ xe Ở tốc độ trung bình

và cao, khi chuyển làn đường, lái theo một đường cong chữ S hoặc khi xe rẽ, các bánh sau sẽ chuyển động cùng hướng với các các bánh trước để xe lái ổn định

và êm Mặt khác khi xe chạy tốc độ không cao thì bánh sau được lái theo hướng ngược với các bánh trước để xe quay theo góc ngoặt gấp

Hình 2.2: Hệ thống lái với các bánh dẫn hướng ở tất cả các cầu

* Theo kết cấu của cơ cấu lái:

- Loại trục vít - con lăn

- Loại trục vít - cung răng

- Loại trục vít - chốt quay

- Loại liên hợp

Hệ thống lái phải đảm bảo các yêu cầu sau:

- Góc quay vòng lớn để có thể quay vòng trong điều kiện chật hẹp

- Lái nhẹ và tiện dụng

- Động học quay vòng đúng để các bánh xe không bị trượt lê khi quay vòng

- Tránh được các va đập từ mặt đường truyền lên vành tay lái

- Giữ được tính ổn định chuyển động thẳng

2.1.2 Kết cấu của hệ thống lái

a Cơ cấu lái thường

Các bánh răng trong cơ cấu lái không chỉ điều khiển các bánh trước mà chúng còn là các bánh răng giảm tốc để giảm lực quay vô lăng bằng cách tăng

mô men đầu ra Tỷ lệ giảm tốc được gọi là tỷ số truyền cơ cấu lái và thường dao động giữa 18 và 20:1 Tỷ lệ càng lớn không những làm giảm lực đánh lái mà còn yêu cầu phải xoay vô lăng nhiều hơn khi xe quay vòng

Hiện này hầu hết các loại xe đều sử dụng hai loại cơ cấu lái (Hình 2.3):

- Loại trục vít - thanh răng

- Loại bi tuần hoàn

10

Hình 2.3: Cấu tạo của cơ cấu lái thường

b Loại trục vít - thanh răng (Hình 2.4)

* Cấu tạo

Trục vít tại đầu thấp hơn của trục lái chính ăn khớp với thanh răng Khi

vô lăng quay thì trục vít quay làm cho thanh răng chuyển động sang trái hoặc phải

Chuyển động của thanh răng được truyền tới các đòn cam qua các đầu của thanh răng và các đầu của thanh nối

* Đặc điểm:

- Cấu tạo đơn giản và gọn nhẹ Do hộp truyền động nhỏ nên thanh răng đóng vai trò thanh dẫn động lái

- Các răng ăn khớp trực tiếp nên độ nhạy của cơ cấu lái rất chắc chắn

- Ít quay trượt, ít sức cản quay và việc truyền mô men tốt hơn, vì vậy lái nhẹ nhàng

- Cụm cơ cấu lái hoàn toàn kín nên không cần phải bảo dưỡng

Hiện nay thường sử dụng cơ cấu lái loại này

11

Hình 2.4: Cơ cấu lái loại trục vít - thanh răng

c Loại bi tuần hoàn (Hình 2.5)

* Cấu tạo

Các rãnh hình xoắn ốc được cắt trên trục vít và đai ốc bi và các viên bi thép chuyển động lăn trong rãnh trục vớt và rãnh đai ốc Cạnh của đai ốc bi có răng để ăn khớp với các răng trên trục rẻ quạt

* Đặc điểm

- Do bề mặt tiếp xúc lăn của các viên bi truyền chuyển động quay của trục lái chính nên lực ma sát trượt của đai ốc rất nhỏ

- Cấu tạo này có thể chịu được phụ tải lớn

- Sức cản trượt nhỏ do ma sát giữa trục vít và trục rẻ quạt cũng nhỏ nhờ

có các viên bi

- Góc hoạt động rộng

12

Hình 2.5: Cơ cấu loại bi tuần hoàn

2.1.3 Dẫn động lái

a Nhiệm vụ, yêu cầu

Cơ cấu dẫn động lái là sự kết hợp giữa các thanh nối và tay đòn để truyền chuyển động của cơ cấu lái tới các bánh xe trái và phải Thanh dẫn động lái phải truyền chính xác chuyển động của vô lăng lên các bánh trước khi chúng chuyển động lên xuống trong khi xe chạy

Có nhiều loại thanh dẫn động lái và kết cấu khớp nối được thiết kế để thực hiện yêu cầu này

b Cấu tạo

Cơ cấu dẫn động lái bao gồm các bộ phận (Hình 2.6): Thanh nối, Đầu thanh nối, Đòn cam lái, Đòn quay (loại bi tuần hoàn), Thanh ngang (loại bi tuần

Hình thang lái có nhiều dạng kết cấu khác nhau (Hình 2.7) Đòn ngang có thể cắt rời hay liền tuỳ theo hệ thống treo là độc lập hay phụ thuộc Nhưng dù trường hợp nào thì kết cấu của hình thang lái củng phải phù hợp với động học

bộ phận hướng của hệ thống treo, để dao động thẳng đứng của các bánh xe

Hình 2.7: Sơ đồ hình thang lái

Nếu tăng tỷ số truyền của cơ cấu lái thì có thể giảm được lực đánh lái Tuy nhiên, điều này sẽ khiến phải quay vô lăng nhiều hơn khi xe quay vòng và không thể quay góc ngoặt gấp được Do đó để việc lái được nhạy mà lực lái nhỏ thì cần phải có một số thiết bị trợ lực lái

Nói cách khác, hệ thống lái có trợ lực trước đây chủ yếu sử dụng trong các xe lớn thì ngày nay cũng được dùng cho các xe du lịch nhỏ

15

* Phân loại:

Có hai loại bao gồm loại trợ lái thuỷ lực và trợ lái điện Hiện nay, hầu hết các loại xe đều sử dụng trợ lái thuỷ lực Ba bộ phận chính của trợ lái thuỷ lực là bơm, van điều khiển và xi lanh trợ lực (Hình 2.8)

Hình 2.8: Sơ đồ cấu tạo của hệ thống lái có trợ lực

* Yêu cầu:

- Lực lái phải phù hợp

- Mức độ giảm lực tác dụng lên vành tay lái phải thay đổi theo điều kiện chuyển động Nói chung, cần lực lái lớn khi xe đứng yên hoặc chuyển động chậm Ở tốc độ trung bình cần lực lỏi nhỏ hơn, lực lái giảm dần khi tốc độ của

xe tăng Ở tốc độ cao cần lực lái nhỏ nhất vì ma sát giữa bánh xe và mặt đường giảm

- Phải đạt lực lái phù hợp ở bất kỳ dải tốc độ nào Nếu lực lái quá nhỏ (trợ lực lái nhiều) sẽ gây mất cảm giác của mặt đường tác dụng lên cơ cấu lái làm cho người lái xe đánh lái quá nhiều tạo ra quay vòng thừa

16

2.2.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống lái trợ lực thủy lực

Hệ thống lái có trợ lực sử dụng công suất của động cơ để dẫn động bơm trợ lực lái tạo áp suất thuỷ lực Khi xoay vô lăng, sẽ chuyển mạch một đường dẫn dầu tại van điều khiển Vì áp suất dầu đẩy pít tông trong xi lanh trợ lái, lực cần để điều khiển vô lăng sẽ giảm

Khi quay vòng sang trái (Hình 2.9): Người lái quay vô lăng sang trái, van điều khiển mở đường dầu vào khoang bên trái của xi lanh lực, đồng thời mở đường hồi cho dầu từ khoang bên phải trở về bình chứa tạo ra sự chênh lệch áp suất giữa hai khoang Do đó pit tông được đẩy sang phải và bánh xe quay sang trái nhờ áp suất của dầu

Khi quay vòng sang phải (Hình 2.10): Quá trình diễn ra ngược lại với khi quay vòng sang trái

Hình 2.9: Khi quay vòng sang trái

17

Hình 2.10: Khi quay vòng sang phải

2.2.3 Các bộ phận của hệ thống

a Các bộ phận của bơm trợ lực lái:

Trợ lực lái là một thiết bị thuỷ lực đòi hỏi áp suất cao Thiết bị này sử dụng lực của động cơ để dẫn động bơm trợ lực lái tạo áp suất thuỷ lực Bơm trợ lực thường là bơm kiểu cánh gạt

Bơm được dẫn động từ trục khuỷu động cơ bằng dây đai dẫn động, và đưa dầu bị nén vào xilanh lực Lưu lượng của bơm tỷ lệ với tốc độ của động cơ nhưng lưu lượng dầu đưa vào xilanh lực được điều tiết nhờ một van điều khiển lưu lượng, lượng dầu thừa được đưa trở lại đầu hút của bơm

 Cấu tạo (Hình 2.11):

- Thân bơm: Được đúc bằng gang, bên trong chứa các bộ phận của bơm Trên thân bơm có gia công các đường dẫn dầu, cửa dầu vào và ra Hai đầu có gối đỡ trục rô to là các vòng bi

- Bình chứa: Bình chứa cung cấp dầu trợ lực Nó được lắp trực tiếp vào thân bơm hoặc lắp tách biệt Nếu không lắp với thân bơm thì sẽ được nối với bơm bằng hai ống mềm

18

Thông thường, nắp bình chứa có một thước đo mức để kiểm tra mức dầu Nếu mức dầu trong bình chứa giảm dưới mức quy định thì bơm sẽ hút không khí vào gây ra lỗi trong vận hành

- Rô to: Trên rô to có xẻ các rãnh song song với trục, trên các rãnh đó lắp các cánh gạt Các cánh gạt này trượt tự do trong rãnh của rô to Khi rô tô quay,

do lực ly tâm, các cánh này văng ra tỳ sát vào xilanh bơm và gạt dầu từ khoang nạp sang khoang xả của bơm

- Trục bơm: Đặt trên hai vòng bi, đầu trục có vị trí lắp puly dẫn động Puly được khoá chặt bằng đai ốc

Hình 2.11: Cấu tạo của bơm trợ lực

- Van điều khiển lưu lượng (Hình 2.12):

Van điều khiển lưu lượng điều chỉnh lượng dòng chảy dầu từ bơm tới xilanh lực, duy trì lưu lượng không đổi mà không phụ thuộc tốc độ bơm Do lưu lượng của bơm cánh gạt tăng tỷ lệ với tốc độ động cơ, mức độ trợ lực lái tạo bởi pittông lực của cơ cấu lái phụ thuộc vào lượng dầu từ bơm Khi tốc độ bơm tăng

19

thêm lưu lượng dầu tăng và tạo ra mức độ trợ lực lớn làm giảm nhẹ lực lái Nói cách khác, lực đánh lái thay đổi theo tốc độ động cơ gây ảnh hưởng đến tính ổn định lái

Vì vậy cần phải duy trì một lượng dầu cung cấp từ bơm không đổi, không phụ thuộc vào tốc độ động cơ Van điều khiển lưu lượng thực hiện yêu cầu này

Để thực hiện được nhiệm vụ này, người ta sử dụng một ống điều khiển để giảm lưu lượng dầu khi tốc độ bơm đạt đến một giá trị nhất định Trợ lực lái này được gọi là trợ lực lái kiểu tốc độ (RPM) hay trợ lực lái kiểu cảm biến Nó tạo ra một lực lái phù hợp ngay cả khi xe chạy ở tốc độ cao Khi tốc độ động cơ tăng thì lưu lượng dầu của bơm tăng nhưng lượng dầu đưa đến xilanh lực lại giảm

Có ba loại van điều khiển lưu lượng: Loại van cánh, loại van quay và loại van ống (van ngăn kéo) Tất cả các loại van đó đều có một thanh xoắn nằm giữa trục van điều khiển và trục vít Van điều khiển vận hành theo mức độ xoắn của thanh xoắn

Hình 2.12: Cấu tạo của các loại van điều khiển lưu lượng

20

- Thiết bị bù không tải:

Hình 2.13: Sơ đồ bố trí thiết bị bù không tải

Bơm tạo ra áp suất dầu tối đa khi vô lăng quay hết cỡ sang phải hoặc sang trái Lúc này phụ tải tối đa trên bơm làm giảm tốc độ không tải của động cơ Để giải quyết vấn đề này, hầu hết các xe đều có thiết bị bù không tải để tăng tốc độ không tải của động cơ mỗi khi bơm phải chịu phụ tải nặng (Hình 2.13) Thiết bị

bù không tải có chức năng tăng tốc độ không tải của động cơ khi áp suất dầu bơm tác động lên van điều khiển không khí (lắp đặt trên thân bơm) để kiểm soát lưu lượng không khí

Trong các động cơ EFI, khi áp suất dầu đẩy píttông của van điều khiển không khí, van điều khiển không khí mở và lượng không khí đi tắt qua bướm ga

sẽ tăng để điều chỉnh tốc độ động cơ

21

giữa rô to và vòng cam Cánh gạt sẽ ngăn cách khe hở này để tạo thành một buồng chứa dầu Cánh bơm bị giữ sát vào bề mặt trong của vòng cam bằng lực

ly tâm và áp suất dầu tác động sau cánh bơm, hình thành một phớt dầu ngăn rò rỉ

áp suất từ giữa cánh gạt và vòng cam khi bơm tạo áp suất dầu

Dung tích buồng dầu có thể tăng hoặc giảm khi rô to quay để vận hành bơm Nói cách khác, dung tích của buồng dầu tăng tại cổng hút do vậy dầu từ bình chứa sẽ được hút vào buồng dầu từ cổng hút Lượng dầu trong buồng chứa giảm bên phía xả và khi đạt đến 0 thì dầu trước đây được hút vào buồng này bị

ép qua cổng xả Có 02 cổng hút và 02 cổng xả Do đó, dầu sẽ hút và xả 02 lần trong trong một chu kỳ quay của rô to

Hình 2.14: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của bơm dầu

+ Van điều khiển lưu lượng

- Ở tốc độ thấp (Hình 2.15): (Tốc độ của bơm khoảng 650  1250 v/ph)

- Ở tốc độ trung bình (Hình 2.16):: (Tốc độ bơm khoảng 1250  2500 v/ph)

- Ở tốc độ cao (Hình 2.17): (Tốc độ của bơm trên 2500 v/ph)

Khi tốc độ bơm vượt quá 2.500 v/ph, ống điều khiển tiếp tục bị đẩy sang phải, đóng một nửa các lỗ tiết lưu Lúc này, áp suất P2 chỉ do lượng dầu qua các

lỗ quyết định Theo cách này lượng dầu tới hộp cơ cấu lái được duy trỡ khụng đổi (trị số nhỏ)

24

Hình 2.17: Sơ đồ nguyên lý làm việc của van điều khiển lưu lượng

(ở tốc độ cao)

- Van an toàn (2.18)

Hình 2.18: Sơ đồ nguyên lý làm việc của van an toàn

Van an toàn đặt trong van điều khiển lưu lượng Khi áp suất P2 vượt mức quy định (khi quay hết cỡ vô lăng), van an toàn sẽ mở để giảm áp suất Khi áp

25

suất P2 giảm thì Van điều khiển lưu lượng bị đẩy sang trái và điều chỉnh áp suất tối đa

b Hộp cơ cấu lái có trợ lực (Hình 2.19):

Pít tông trong xi lanh trợ lực được đặt trên thanh răng, và thanh răng dịch chuyển do áp suất dầu tạo ra từ bơm trợ lực lái tác động lên pít tông theo cả hai hướng Một phớt dầu trên pít tông ngăn dầu rò rỉ ra ngoài

Hình 2.19: Cấu tạo chung của hộp cơ cấu lái có trợ lực

Trục van điều khiển được nối với vô lăng Khi vô lăng ở vị trí trung hoà (xe chạy thẳng) thì van điều khiển cũng ở vị trí trung hoà do đó dầu từ bơm trợ lực lái không vào khoang nào mà quay trở lại bình chứa Tuy nhiên, khi vô lăng quay theo hướng nào đó thì van điều khiển thay đổi đường truyền do vậy dầu chảy vào một trong các buồng Dầu trong buồng đối diện bị đẩy ra ngoài và chảy về bình chứa theo van điều khiển

26

 Van điều khiển (loại van quay)

Van điều khiển trong hộp cơ cấu lái quyết định đưa dầu từ bơm trợ lực lái

đi vào buồng nào Trục van điều khiển (trên đó tác động mômen vô lăng) và trục vít được nối với nhau bằng một thanh xoắn Van quay và trục vít được cố định bằng một chốt và quay liền với nhau

Nếu không có áp suất của bơm tác động, thanh xoắn sẽ ở trạng thái hoàn toàn xoắn và trục van điều khiển và trục vít tiếp xúc với nhau ở cữ chặn và mômen của trục van điều khiển trực tiếp tác động lên trục vít

Hình 2.20: Cấu tạo chung của hộp lái dùng van điều khiển kiểu van quay

Chuyển động quay của trục van điều khiển kiểu van quay tạo nên một giới hạn trong mạch thuỷ lực Khi vô lăng quay sang phải áp suất bị hạn chế tại các

lỗ X và Y Khi vô lăng quay sang trái trục van điều khiển tạo giới hạn tại X' và Y'

27

Hình 2.21: Cấu tạo chung của hộp lái dùng van điều khiển kiểu van quay

Khi vô lăng xoay thì trục lõi quay, làm xoay trục vít qua thanh xoắn Ngược lại với trục vít, vỡ thanh xoắn xoắn tỷ lệ với lực bề mặt đường, trục van điều khiển chỉ quay theo mức độ xoắn và chuyển động sang trái hoặc sang phải

Do vậy tạo các lỗ X và Y (hoặc X' và Y') và tạo sự chênh lệch áp suất thuỷ lực giữa các buồng xi lanh trái và phải

Bằng cách này, tốc độ quay của trục van điều khiển trực tiếp làm thay đổi đường đi của dầu và điều chỉnh áp suất dầu Dầu từ bơm trợ lực lái sẽ vào vòng ngoài của van quay và dầu chảy về bình chứa qua khoảng giữa thanh xoắn và trục van điều khiển

+ Khi vô lăng ở vị trí trung gian:

Khi trục van điều khiển không quay nó sẽ nằm ở vị tri trung gian so với van quay Dầu do bơm cung cấp quay trở lại bình chứa qua cổng "D" và buồng

28

"D" Các buồng trái và phải của xi lanh bị nộn nhẹ nhưng do không có sự chênh lệch áp suất nên không có lực trợ lái

Hình 2.22: Sơ đồ nguyên lý làm việc của van quay (ở vị trí trung gian)

+ Khi quay vòng sang phải

Khi xe quay vòng sang phải, thanh xoắn bị xoắn và trục van điều khiển theo đó quay sang phải Các lỗ X và Y hạn chế dầu từ bơm để ngăn dòng chảy vào các cổng "C" và cổng "D" Kết quả là dầu chảy từ cổng "B" tới ống nối "B"

và sau đó tới buồng xi lanh phải, làm thanh răng dịch chuyển sang trái và tạo lực trợ lái Lúc này, dầu trong buồng xi lanh trái chảy về bình chứa qua ống nối "C" > cổng "C" > cổng "D" > buồng "D"