Chương 7 hệ thống lái trên ô tô

Trục lái Hộp tay lái Đòn quay Đòn bên Bánh xe Dầm cầu Trục đứng Tay chuyển hướng Đòn dọc Ống lái Đòn ngang Vành tay lái trên, các bánh xe khi quay vòng không bị trượt đồng thời cũng để đ

CHƯƠNG VII : HỆ THỐNG LÁI

STEERING SYSTEMS

I Công dụng phân loại yêu cầu:

I.1 Công dụng:

Hệ thống lái của ôtô dùng thay đổi hướng chuyển động hoặc giữ cho

ôtô chuyển động theo một hướng nhất định

I.2 Phân loại :

 Theo bố trí bánh lái:

 Bánh lái bố trí bên phải

 Bánh lái bố trí bên trái

Bánh lái bố trí bên phía trái hay phải tuỳ theo luật pháp của từng quốc

gia qui định

 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 hai cầu

 Hệ thống lái với các bánh dẫn hướng ở tất cả các cầu

 Theo kết cấu và nguyên lý của cơ cấu lái:

 Loại trục vít - cung răng

 Loại trục vít - con lăn

 Loại trục vít - chốt quay

 Loại liên hợp

 Theo kết cấu bộ trợ lực (cường hóa ):

 Loại trợ lực bằng khí nén

 Loại trợ lực bằng thủy lực

 Loại trợ lực liên hợp

Tâm quay vòng tức thời

I.3 Yêu cầu :

 Quay vòng thật ngoặt trong một thời gian ngắn trên một diện tích bé

 Lái nhẹ và tiện lợi

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

 Tránh được các va đập từ bánh dẫn hướng truyền lên bánh trái

 Giữ được chuyển động thẳng ổn định của ôtô

II Động học quay vòng của ôtô :

Hình 8.1: Động học quay vòng ôtô

Lt: khoảng cách giữa hai trục đứng

L: chiều dài cơ sở ôtô

Xét hai tam giác vuông OAB và ODC ta có:

cotgn = OA/AB (1)

cotgt = OD/CD (2)

Lấy (1) – (2) ta được:

cotgn - cotgt = OA/AB - OD/CD

cotgn - cotgt = Lt/L = const

Điều này chứng tỏ, để đảm bảo động học ôtô khi quay vòng thì hiệu

số cotgn - cotgt luôn luôn là hằng số

Khi quay vòng, ôtô được xem là một vật thể thống nhất mà tất cả các

điểm được quay quanh tâm tức thời trong từng thời điểm Để đạt điều kiện

Trục lái

Hộp tay lái

Đòn quay

Đòn bên Bánh xe Dầm cầu Trục đứng

Tay chuyển hướng Đòn dọc

Ống lái

Đòn ngang Vành tay lái

trên, các bánh xe khi quay vòng không bị trượt đồng thời cũng để điều khiển

dễ dàng thì các đường tâm quay của các bánh xe phải gặp nhau tại điểm O

III Phân tích kết cấu hệ thống lái:

Tỷ số truyền động lái là góc độ mà vô lăng phải quay để kéo hai bánh

trước chuyển động Tỷ số truyền động càng thấp, tay lái càng nặng Tỷ số

truyền động lái thấp gọi là tay lái nhanh thường 18 đến 20 : 1( số vòng quay

vô lăng ít ), Tỷ số truyền động lái cao gọi là tay lái chậm ( số vòng quay vô

lăng nhiều )

Hình 8.2: Sơ đồ cơ cấu lái 1: Vô lăng

2: Trục tay lái

3: Cơ cấu lái

4: Thanh nối lái

5: Bi tròn

6: Đai ốc

7: Trục rẽ quạt

8: Trục vít

Xà ngang

Vô lăng

Trục tay lái

Steering gear

Cần chuyể

n hướng

Đòn kéo bên

Đòn quay đứng

Bánh xe

Cần chuyển hướng

Thanh kéo dọc Đòn quay đứng Đòn kéo giữa

III.1 Dẫn động lái:

Dẫn động lái gồm hệ thống lái các đòn để truyền lực từ cơ cấu lái đến

quay bánh xe Đồng thời đảm bảo cho các bánh xe của ôtô quay vòng với

động học đúng

Bộ phận quan trọng của dẫn động lái là hình dạng hình thang lái Hình

thang lái có nhiệm vụ bảo đảm động học bánh dẫn hứơng làm cho bánh xe

khỏi bị trượt lê khi lái, do đó bớt hao mòn lốp

Hình 8.6: Hình thang lái

i = 2  r0 /t

Trục vít

Con lăn

Δ = 5÷7 mm Con lăn

Tay chuyển hướng Đòn dọc

III.2 Cơ cấu lái không trợ lực:

a Trục vít – cung răng:

Cung răng có thể là cung răng thường hoặc cung răng bên Cung răng

bên có ưu điểm tiếp xúc theo toàn bộ chiều dài răng Do đó giảm được ứng

suất tiếp xúc và răng ít hao mòn cho nên thích hợp với ôtô tải lớn

Hình 8.3: Sơ đồ trục vít – cung răng

Tỷ số truyền:

r0: Bán kính vòng tròn cơ sở cung răng

t: Bước của trục vít

b.Trục vít – con lăn:

Hình 8.3: Sơ đồ trục vít – con lăn

Ưu điểm vì trục vít có dạng glopoit cho nên chiều dài trục vít không

lớn nhưng sự tiếp xúc các răng ăn khớp được lâu hơn, nghĩa là giảm được

áp suất riêng và tăng độ chống mòn

Tải trọng tác dụng lên chi tiết được phân tán, tùy theo cỡ ôtô mà có 2

đến 4 vòng ren

Giảm ma sát, do có ma sát lăn Có thể điều chỉnh khe hở ăn khớp

Cung răng thường Cung răng bên

Chốt quay Trục vít

i = (2  r2 / t) x cos 

Đường trục con lăn nằm lệch trục vít một đoạn  = 5 ÷ 7mm ( cho

phép điều chỉnh khi sử dụng )

Tỷ số truyền:

r2 : Bán kính vòng tròn ban đầu hình glopoit của trục vít

t : Bước của trục vít

z1: Số đường ren trục vít

c Trục vít - chốt quay:

Ưu điểm cơ bản là có thể có tỷ số truyền thay đổi Dùng chủ yếu đối

với ôtô tải và ôtô khách

Nếu bước trục vít không thay đổi thì tỷ số truyền có thể xác định:

: Góc quay của tay chuyển hướng

r2: Bán kính đòn quay

Hình 8.4: Sơ đồ trục vít – chốt quay

d Loại liên hợp:

Thường dùng hai loại trục vít ecrou – thanh khía – cung răng Tiếp

giữa trục vít và ecron bằng dãy bi nằm theo rãnh của trục vít ( ma sát

lăn)

Trục vít có rãnh xoắn ốc giống đường ren của đai ốc, có nhiều viên bi

chuyển động tuần hoàn giữa trục răng và đai ốc bi Khi xoay vô lăng trên

trục răng có rãnh ren làm chuyển động đai ốc bi đi lên hay xuống Phần

răng trên đai ốc bi ăn khớp với răng hình rẽ quạt trục xoay sang phải hay

trái làm quay bánh xe

Tỷ số truyền: r0: Bán kính trục vít

t : bước của trục vít ic = 2  r0/t

i = 2  r2/tz1

Trục vít

Ecrou Thanh khía

Trục rẽ quạt

Bình chứa dầu Bơm trợ lực

Van điều khiển

Cơ cấu lái

2: Trục vít 3: Bi và ống dẫn 4: Vòng bi đỡ

5: Trục 6: Đai ốc bi ( Ecrou bi)

Hình 8.5: Cơ cấu lái loại liên hợp III.3 Cơ cấu lái trợ lực lái :

Do cải thiện tính êm

dịu chuyển động, phần lớn

ôtô dùng lốp rộng bản, áp

suất thấp để tăng diện tích

tiếp xúc nên cần lực lái

lớn hơn

Lực lái có thể giảm

bằng cách tăng tỷ số

truyền cơ cấu lái nhưng

phải xoay vô lăng nhiều,

không hiệu quả khi phải rẽ

gấp Chính vì thế cần phải

dùng cơ cấu lái trợ lực

Hình 8.6: Sơ đồ cơ cấu lái trợ lực

a Bơm trợ lực:

Bơm được dẫn động điện hay dây courroie và puli trục khuỷu, các

cánh van trượt vào ra trong rôto và luôn luôn tiếp xúc với vách bơm hình

ôvan Khi rôto quay, nơi vị trí đường kính rộng của vỏ bơm, các cánh van

bung ra, khoảng không giữa rôto và vách bơm trở nên lớn, tạo lực hút dầu

vào Khi quay đến vị trí đường kính nhỏ, các cánh van thu vào, khoảng cách

rôto và vách bơm trở nên nhỏ, dầu được bơm đi Bơm có trang bị van điều

áp để giới hạn áp suất tối đa của bơm khoảng 750 PSI (1 PSI = 0,07 kg/ cm2)

Do lưu lượng bơm tăng cùng tốc độ động cơ Tốc độ bơm tăng, lượng

dầu tăng tạo ra mức độ trợ lực lớn hơn nên giảm được lực đánh tay lái Đây

chính là nhược điểm ảnh hưởng đến tính ổ định lái Vì vậy cần phải duy trì

lưu lượng dầu cung cấp đến bơm không đổi, đó chính là nhiệm vụ của van

điều khiển lưu lượng

Hình 8.7: Bơm trợ lực lái

9

8

2

4

1

3

7

5

6

8 1

1

5 / 3 /

4 /

2 / 1 /

1

0

b Trợ lực lái thủy lực loại cùng khối:

Hình 8.8.a: Trợ lực lái thủy lực loại cùng khối

1: Xylanh thủy lực

2: Piston thanh răng

3: Van trượt

4: Bánh răng rẽ

quạt

5: Đai ốc bi

6: Trục vít

7: Vỏ

8: Bơm

9: Bình dầu

Hình 8.8.b: Trợ lực lái thủy lực loại cùng khối

1’, 2’ , 3’, 4’, 5’: Mạch dầu 3: Van trượt

10: Chốt đẩy và lò xo 11: Vòng bi chà ( buýt tê)

1 2

5

6

Piston thanh răng (2) của xy lanh thủy lực (1) ăn khớp răng với bánh răng

rẽ quạt (4) Đầu răng thứ hai của (4) ăn khớp với phần răng của đai ốc bi (5)

trên trục vít (6) Trục xoay bánh răng rẽ quạt (4) chính là trục xoay của đòn

quay đứng Van trượt (3) cùng khối với trụ lái và trục vít (6) lắp trong vỏ van

(7) có công dụng đóng mở các mạch dầu 1’, 2’, 3’, 4’ và 5’ Mặt trước và

mặt sau của piston lực (2) thông với bơm (8) và bình chứa (9) qua van trượt

(3)

Khi xe rẽ trái: Van trượt (3) sẽ nhích qua phải đóng mạch dầu (5’) và

mạch dầu (2’) cách ly khỏi bơm thủy lực Lúc này mặt trước của piston lực

(2) thông với bơm qua mạch dầu (4’) mặt sau của nó thông với bình chứa dầu

qua mạch (2’) và (1’) Vì vậy, piston lực được áp suất dầu đẩy qua phải điều

khiển xe rẽ trái

c Trợ lực lái thủy lực loại cần đẩy:

Gồm một xy lanh lực và một van phân phối dùng để tạo lực tác động hai

bánh xe trước khi xoay vô lăng Hệ thống này dùng cơ cấu lái tay điều khiển

đòn quay đứng đóng mở van phân phối

Hình 8.9.a: Trợ lực lái thủy lực loại cần đẩy

1: Bơm

2: Bình dầu

3: Van phân phối

4: Xylanh lực

5: Dầu hồi

6: Dầu áp suất cao

1

2

3

4

Cảm biến tốc độ Bình dầu

Bơm

Van phân phối

Trục răng – thanh răng Mô đun điều khiển

Hình 8.9.b: Trợ lực lái thủy lực loại cần đẩy khi xe chạy thẳng

Một đầu xylanh lực gắn khung xe, đầu kia liên kết với cây nối, đầu còn

lại của cây nối tiếp hợp với van phân phối và cơ cấu dẫn động lái Van phân

phối và xy lanh lực liên lạc với nhau nhờ các ống dẫn dầu cao áp Đầu cuối

của đòn quay đứng có dạng hình cầu ráp khớp vào lỗ hình cầu nơi van phân

phối để điều khiển van này

1: Vane pump

2: Reservoir tank

3: Control valve

4: Power cylinder

Hình 8.9.c: Trợ lực lái thủy lực loại cần đẩy khi xe chạy rẽ trái

Khi xoay vành lái qua trái hoặc qua phải, đòn quay đứng sẽ tác động

van phân phối Van sẽ điều khiển phân phối thủy lực vào mặt này hay mặt

kia của piston trong xylanh lực

d Trợ lực lái thủy lực loại trục răng - thanh răng:

Hình 8.10: Trợ lực lái thủy lực loại trục răng – thanh răng

Bơm

Piston

Van điều khiển

Xylanh

Dầu hồi Dầu áp suất cao

Hệ thống lái trợ lực điều khiển áp suất đưa dầu vào cơ cấu lái Ở tốc độ

thấp hay xe dừng, áp suất dầu vào cơ cấu lái cao cho phép người tài xế điều

khiển dễ Khi ở tốc độ cao áp suất đưa vào cơ cấu lái giảm, điều đó cho

phép người điều khiển xe chính xác ở tốc độ cao

Cảm biến tốc độ gởi tín hiệu điện tới mô đun điều khiển Mô đun điều

khiển dịch chuyển van trong cụm van để điều khiển áp suất bơm chính xác

 Khi chuyển động thẳng:

Dầu từ bơm tới van điều khiển Lúc này van ở vị trí trung gian, dầu sẽ

chảy qua van đến đường hồi rồi về bơm Khi đó không sinh ra áp suất dầu

lớn vì áp suất ở hai bên piston bằng nhau

Hình 8.11.a: Trợ lực lái loại trục răng – thanh răng

ở vị trí trung gian

 Khi quay vòng:

Quay vô lăng sang trái hay phải, van điều khiển duy chuyển làm đóng

một cửa dầu, cửa dầu còn lại mở rộng hơn Điều đó làm thay đổi thể tích

dầu và tạo ra áp suất Khi đó có sự trên lệch áp suật giữa hai piston làm

piston dịch chuyển về phía có áp suất thấp để đẩy dầu phía đó về bơm qua

van điều khiển

Bơm

Piston

Van điều khiển

Xylanh

Dầu hồi

Dầu áp suất cao

Thanh xoắn Van phân phối

Dầu đến xylanh

Dầu hồi

Dầu từ bơm

1

2

7 8

9

10

11

Đến xylanh Dầu về Dầu đến

Chuyển động thẳng Quay vòng phải Quay vòng trái

Hình 8.11.b: Trợ lực lái loại trục răng – thanh răng khi quay vòng

Hình 8.12: Trợ lực lái loại van xoay

1: Xylanh trợ lực 4: Thước răng 7: Dầu về 10: Van

2: Piston 5: Đến xylanh trái 8: Dầu đến 11: Trục xoắn

3: Đệm 6: Đến xylanh phải 9: Thân van

Chuyển động quay

Chuyển động thẳng

e Trụ lái:

Cơ cấu lái truyền chuyển động quay tròn

của vô lăng thành chuyển động thẳng để điều

khiển bánh lái phía trước và bảo đảm tỷ số

truyền theo yêu cầu nhà chế tạo

Hình 8.13: Mô tả chuyển động lái

 Trụ lái kiểu ống lồng:

Trụ lái cấu tạo theo kiểu ống lồng,

gồm hai ống lồng vào nhau Khi có tai

nạn, người lái xe bị va vào phía trước,

năng lượng va đập bị cột lái hấp thụ

bằng cách chùng lại

Hình 8.14: Trụ lái kiểu ống lồng

 Trụ lái điều chỉnh được độ cao:

Cấu tạo gồm: Bánh cóc, cần hãm cóc

với cần nghiêng được nối vào miếng chặn

cóc Một lò xo giúp miếng chặn cóc cần

hãm luôn tác dụng lên cần hãm cóc Độ

nghiêng có thể được lựa chọn tuỳ ý nhờ

bánh cóc, góc nghiêng cực đại là 90 so với

vị trí trung hoà Hình 8.15: Trụ lái điều chỉnh được độ cao

 Trụ lái hấp thụ va đập trục lái:

Cấu tạo gồm một giá đỡ dạng

cong hàn vào ống trục lái và xiết

thân xe bằng đai ốc Phần vấu giữ

giá đở dễ vỡ cũng đươc gắn vào thân

xe Trục chính chia làm hai phần

trên và dưới nối bằng chốt nhựa

1: Khi không có tai nạn

2: Khi có tai nạn Hình 8.16: Trụ lái hấp thụ va đập

Khi xe đâm vào chướng ngại vật và có 1 lực dọc trục đủ lớn tác dụng

từ cơ cấu lái lên trục lái chính Va đập (sơ cấp) bẻ gãy các chốt nhựa trục

chính Trục dưới trượt lên phía trên tránh cụm vô lăng duy chuyển gây

thương tích

Nếu thân người lái tiếp tục đập vào vô lăng (va đập thứ cấp), giá đỡ

dễ vỡ sẽ cắt đứt các chốt nhựa và tụt ra khỏi vấu giữ Toàn bộ trục lái

chuyển động để hấp thụ va đập

IV Đặc tính hình học dàn đầu ôtô:

IV.1: Chiều cao treo xe:

Là khoảng cách đo tại một điểm trên

thân, sườn xe hay nơi hệ thống treo đến

mặt đất Chiều cao treo xe không đúng, sẽ

tác động đến đặc tính hình học của dàn

đầu Trong hệ thống treo xe, nếu lò xo

xoắn bị co lại, bộ nhíp lá bị dãn hoặc

chỉnh sai thanh xoắn sẽ đưa đến tình

trạng sai lệch chiều cao treo xe Hình 8.17: Chiều cao treo xe

IV.2: Góc doãng bánh xe: ( Camber)

Góc Camber là góc bánh xe nghiêng bên phải hay bên trái so với

đường thẳng góc với mặt đường Nếu đầu trên bánh xe nghiêng ra, ta có

góc Camber dương ngược lại là góc Camber âm

Hình 8.18: Góc doãng bánh xe ( Góc Camber )

Chiều cao treo xe

Khi xe chở nặng và di chuyển các bánh xe sẽ lăn thẳng góc trên mặt

đường, lốp xe mòn đều ( góc Camber bằng 0 )

Khi góc doãng bị sai lệch làm nặng tay lái, bị đảo và không ổ định Nếu

sự sai lệch lớn sẽ đưa đến tình trạng rung động dàn đầu khi ở vận tốc thấp

IV.3: Góc nghiêng ngang của trục chuyển hướng:

Góc nghiêng ngang của trục chuyển

hướng là góc đo giữa trục xoay và đường

đứng thẳng góc với mặt đường khi ta

nhìn vào đầu xe Một cách định nghĩa

khác, đó là góc nghiêng ngang vào trong

của trục xoay

 Tạo tính ổn định của tay lái bằng

cách kéo hai bánh xe dẫn hướng về vị

trí hướng thẳng sau khi qua khúc

quanh, gọi là khả năng quay trở lại

 Giảm bớt lực dùng để bẻ lái, đặc

biệt lúc xe đứng yên Hình 8.19: Góc nghiêng ngang

Của trục chuyển hướng

 Duy trì hai bánh xe trước luôn luôn hướng thẳng vì khi bẻ lái, dàn đầu

xe bị nhấc lên

IV.4: Góc tổng hợp:

Góc tổng hợp là tổng số góc doãng ( Camber ) cộng với góc nghiêng

ngang của trục chuyển hướng

Trị số góc tổng hợp quyết định vị trí giao điểm đường tâm bánh xe với

đường tâm trục xoay (quyết định độ chụm hay độ bẹt của bánh xe dẫn

hướng)

IV.5: Độ nghiêng dọc của chốt chuyển hướng hay của trục xoay: ( Caster )

Nhìn vào hông xe thấy trục xoay nghiêng ra sau hay trước so với đường

thẳng góc với mặt đường Nếu phía trên trục xoay nghiêng ra sau xe, ta có độ

nghiêng dọc Dương ngược lại có nghiêng dọc Âm Nói một cách khác, nếu

khớp nối hình cầu phía trên nằm phía sau đường thẳng góc với mặt đường, ta

có độ nghiêng dọc Dương, nếu khớp nối này nằm trước đường thẳng góc mặt

đường, ta có góc nghiêng Âm Nếu khớp nối hình cầu trên và dưới cùng

CAMBER TOE - OUT

nằm trên đường thẳng đứng thì ta có góc nghiêng dọc của trục xoay là số

không

Góc này gây ảnh hưởng ít đến tình hình mòn

của vỏ xe Nếu góc Caster dương cả hai bánh, thân

xe bị dạt ra phía ngoài khi cua Nếu góc Caster âm

cả hai bánh, thân xe bị dạt vào phía trong khi cua

Góc nghiêng dọc của trục xoay có công dụng:

 Duy trì ổn định và kiểm soát hướng di

chuyển xe một cách an toàn

 Làm tăng khả năng quay trở lại của hai bánh

xe dẫn hướng

 Làm giảm lực tác động quay vành lái

Hình 8.20: Góc Caster IV.6: Độ chụm – bẹt đầu xe: ( Góc Toe in - Toe out)

Từ trên nhìn xuống, độ chụm hay bẹt làm cho phía trước hai bánh xe

gần nhau hơn phía sau hay ngược lại Mục đích là bảo đảm cho hai bánh

trước song song nhau khi lăn trên mặt đường, nhờ vậy ổn định lái xe, tránh

tình trạng rẽ ngang và giúp vỏ không bị mòn nhanh Góc toe còn công dụng

bù trừ vào độ võng nhỏ của hệ thống treo xe khi duy chuyển

Hình 8.21: Góc Toe