Đồ án thiết kế hệ thống lái dựa trên cơ sở xe INNOVA J

SVTH: Mai Đình Khải MỤC LỤC LỜI NĨI ĐẦU CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LÁI TRÊN ÔTÔ 1.1 Giới thiệu xe ô tô INNOVA J 1.2 Giới thiệu chung hệ thống lái 1.2.1 Công dụng 1.2.2 Phân loại hệ thống lái ô tô 1.2.3 Yêu cầu hệ thống lái ô tô 1.3 Giới thiệu hệ thống lái thường gặp 1.3.1 Hệ thống lái hệ thống treo phụ thuộc 1.3.2 Hệ thống lái hệ thống treo độc lập 1.4 Lựa chọn phương án thiết kế 11 CHƯƠNG II: PHÂN TÍCH KẾT CẤU HỆ THỐNG LÁI XE TOYOTA INNOVA 12 2.1 Sơ đồ chung hệ thống lái xe INNOVA 12 2.2 Cơ cấu lái xe INNOVA 13 2.3 Dẫn động lái xe INNOVA 15 2.3.1 Sơ đồ dẫn động lái 15 2.3.2 Khớp cầu kéo bên 17 2.4 Trợ lực lái 18 2.4.1 Bơm trợ lực lái 18 2.4.2 Trợ lực lái kiểu van xoay 19 CHƯƠNG III: TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG LÁI 24 3.1 Tính tốn động học hình thang lái 24 3.1.1 Xác dịnh kích thước hình học hình thang lái quan hệ động học góc quay bánh xe dẫn hướng 24 3.1.2 Xác định mômen cản quay vòng lực lái lớn 29 SVTH: Mai Đình Khải 3.2 Thiết kế cấu lái 32 3.2.1 Xác định phân phối tỷ số truyền hệ thống lái 32 3.2.2 Thiết kế cấu lái 33 3.2.3 Tính bền cấu trục vít- 34 3.3 Thiết kế kết cấu kiểm tra dẫn động lái 38 3.3.1.Kiểm nghiệm trục lái 38 3.3.2 Tính bền địn kéo ngang 39 3.3.3 Tính bền nối bên dẫn động lái 41 3.4 Thiết kế trợ lực lái 41 KẾT LUẬN 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO 47 SVTH: Mai Đình Khải LỜI NÓI ĐẦU Trong bối cảnh đất nước đà phát triển kinh tế với q trình cơng nghiệp hố đại hố ngày cao Cơng nghiệp chế tạo sản suất ô tô dần trở thành ngành công nghiệp phát triển Là phương tiện giao thơng có tốc độ cao, vấn đề lớn đặt cần tiếp thu trình độ khoa học kỹ thuật chế tạo, sản suất, lắp ráp công tác bảo dưỡng, sửa chữa ô tô Hệ thống lái hệ thống quan trọng ô tô tốc độ hệ thống lái dùng để thay đổi hướng chuyển động ô tô giữ cho ô tô chuyển động theo hướng định Một hệ thống hoàn thiện kết cấu, điều khiển dễ dàng giúp người lái điều khiển dễ dàng thoải đảm bảo an toàn tơ q trình sử dụng Đồng thời cịn nâng cao tính tiện nghi, đại tô Để vận dụng hiểu biết kiến thức tiếp thu trình học tập Em giao nhiệm vụ “ thiết kế hệ thống lái dựa sở xe INNOVA J” Đề tài gồm có phần chính: Chương1: Tổng quan hệ thống lái Chương 2: Phân tích kết cấu hệ thống lái xe TOYOTA INNOVA J Chương 3: Tính tốn thiết kế hệ thống lái Sau nhận đề tài này, hướng dẫn giúp đỡ nhiệt tình thầy PGS.TS Đào Mạnh Hùng em hoàn thành đề tài tốt nghiệp Tuy nhiên kiến thức thời gian tìm hiểu cịn hạn chế, kính mong giúp đỡ đóng góp ý kiến thầy để đề tài em hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn Sinh viên thực Mai Đình khải SVTH: Mai Đình Khải CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LÁI TRÊN ÔTÔ 1745 1.1 Giới thiệu xe ô tô INNOVA J 22 ° 24 ° 176 INNOVA 1510 2750 910 1770 4555 Hình 1.1 Tuyến hình xe INNOVA J INNOVAJ sản phẩm dịng xe đa dụng đại mang tính tồn cầu Ở Việt nam, sản phẩm INNOVA có nhiều loại: innovaJ, innovaG, innovaV, innova E sử dụng số tự động hoạc số tay,động xy lanh thẳng hàng, VVT-i, phun xăng điện tử Dòng xe INNOVA J có màu: trắng, xanh nhạt, đỏ Với động hệ 2.0 có trang bị hệ thống phân phối khí thơng minh nên hoạt động innova mạnh mẽ hơn, tiết kiệm nhiên liệu hơn, thân thiện với mơi trường đạt tiêu chuẩn khí thải Euro Về thiết kế hình dáng, innova lịch lãm sang trọng SVTH: Mai Đình Khải trang thiết bị đại dòng xe sedan giữ lại phong cách thể thao động tính tiện dụng giúp innova trở nên hút Xe với không gian linh hoạt rộng rải với chỗ ngồi đáp ứng nhu cầu xe gia đình khơng phần sang trọng cơng việc.Dịng xe INNOVA trang bị gần đầy đủ tính an tồn chủ động an tồn bị động với cơng nghệ tiến tiến nhằm bảo vệ tồn diện tính an toàn tối đa cho người sử dụng, an toàn chủ động bao gồm: hệ thống chống bó cứng phanh ABS, cảm biết lùi, chìa khóa điều khiển từ xa phanh đĩa, an toàn bị động bao gồm: hệ thống túi khí dây đai an tồn, cột lái tự đổ THÔNG SỐ KĨ THUẬT XE Bảng 1.1 Hãng sản xuất TOYOTA Loại động 2.0(lít) Kiểu động xi lanh thẳng hàng, 16 van, cam kép với VVT_i Dung tích xi lanh 1998cc Hộp số tay số Loại nhiên liệu xăng Dài 4555mm Rộng 1770mm cao 1745mm Chiều dài sở 2750mm Chiều rộng sở trước/sau 1510/1510mm Trọng lượng khơng tải 1530kg Trọng lượng tồn tải 2170kg SVTH: Mai Đình Khải Dung tích bình nhiên liệu 55 l Số chỗ ngồi chỗ Khoảng cách hai trụ đứng 1370mm 1.2 Giới thiệu chung hệ thống lái Phương tiện giao thông tham gia giao thơng phải đảm bảo an tồn chuyển động Hướng chuyển động xe phải kiểm soát người điều khiển, đảm bảo điều khiển nhẹ nhàng nhanh chóng, xác theo ý muốn Khi chuyển động, thẳng, quay vịng, tránh chướng ngại vật, tác động điều khiển xe chuyển động theo ý muốn Hệ thống lái đảm nhận chức 1.2.1 Công dụng: Hệ thống lái hệ thống điều khiển hướng chuyển động xe, đảm bảo giữ nguyên thay đổi hướng chuyển động xe vị trí Trên tơ có phương pháp thay đổi hướng chuyển động là: chuyển hướng cầu xe( xe romooc ); chuyển hướng nhờ điều khiển tốc độ bánh xe( máy kéo, xe máy cơng trình); điều khiển thơng qua thay đổi hướng bánh xe Ngày phổ biến loại điều khiển hướng bánh xe dẫn hướng Hệ thống lái có chức tiếp nhận tác động người lái diều khiển, thông qua cấu dẫn động thực điều khiển bánh xe chuyển động theo quỹ đạo mong muốn Việc điều khiển phải đảm bảo tính linh hoạt, nhanh chóng xác Hệ thống lái thông dụng bao gồm cấu điều khiển( vành lái, trục lái), cấu lái đòn dẫn động tạo khả chuyển hướng cho bánh xe xung quanh trụ đứng SVTH: Mai Đình Khải Trong q trình chuyển động, hệ thống lái có ý nghĩa quan trọng thơng qua việc nâng cao an tồn điều khiển chất lượng chuyển động hệ thống lái ngày hoàn thiện xe đạt tốc độ lớn 1.2.2 Phân loại hệ thống lái tơ : Có nhiều cách để phân loại hệ thống lái ô tô tuỳ theo phương pháp mà có cách phân loại khác Có cách phân loại sau: - Theo phương pháp chuyển hướng + Chuyển hướng bánh xe dẫn hướng phía trước + Chuyển hướng tất bánh xe phía trước phía sau + Chuyển hướng cầu xe: Xe Romooc + Chuyển hướng thân xe: máy cơng trình - Theo cách bố trí vành lái: + Bố trí vành lái bên trái ( theo luật đường bên phải) + Bố trí vành lái bên phải( theo luật đường bên trái) - Theo đặc điểm truyền lực: + Hệ thống lái khí + Hệ thống lái khí có trợ lực với kiểu trợ lực ( thủy lực, khí, điện, khí) - Theo kết cấu hệ thống đoàn dẫn động lái: + Phù hợp với hệ thống treo độc lập + Phù hợp với hệ thống treo phụ thuộc - Theo cách biến đổi kiểu truyền động ( phụ thuộc vào kết cấu cấu lái) + Biến chuyển động quay hệ thống điều khiển thành chuyển động quay đoàn: ( trục vít – bánh vít; trục vít – ê cu bi) + Biến chuyển động quay hệ thống điều khiển thành chuyển động tịnh tiến đoàn điều khiển ( bánh - răng) SVTH: Mai Đình Khải 1.2.3 Yêu cầu hệ thống lái ô tô : - Hệ thống lái phải đảm bảo yêu cầu sau: + Đảm bảo chuyển động thẳng ổn định + Đảm bảo tính động cao: Tức xe quay vịng thật ngoặt khoảng thời gian ngắn diện tích thật bé + Đảm bảo động học quay vòng đúng: để bánh xe khơng bị trượt lê gây mịn lốp, tiêu hao cơng suất vơ ích giảm tính ổn định xe + Điều khiển nhẹ nhàng, thuận tiện + Đảm bảo tỷ lệ lực tác dụng lên vô lăng mô men quay bánh xe dẫn hướng (để đảm bảo cảm giác đường) tương ứng động học góc quay vơ lăng bánh xe dẫn hướng 1.3 Giới thiệu hệ thống lái thường gặp 1.3.1 Hệ thống lái hệ thống treo phụ thuộc: - Sơ đồ Hình 1.2 Sơ đồ hệ thống lái với hệ thống treo phụ thuộc SVTH: Mai Đình Khải Vành lái; Trục lái; Cơ cấu lái; Trục cấu lái; Đòn quay đứng; Đòn kéo dọc; Đòn quay ngang; Cam quay; Cạnh bên hình thang lái;10 Địn kéo ngang; 11 Bánh xe dẫn hướng;12 Bộ phận phân phối; 13 Xi lanh lực - Đặc điểm kết cấu: Trong trường hợp tổng quát, hệ thống lái gồm có: Vành lái – trục lái, cấu lái, hệ dẫn động lái, phận trợ lực lái, giảm chấn Trên hình sơ đồ hệ thống lái thông dụng điều khiển hướng chuyển động bánh dẫn hướng cầu trước Khi đánh lái, người lái tác động lên vành lái 1, qua trục lái dẫn đến cấu lái Chuyển động từ cấu lái đưa đến phận dẫn động lái thơng qua địn quay đứng Dẫn động lái gồm đòn kéo dọc 6, đòn quay ngang 7, hình thang lái cam quay bên trái, bên phải làm quay bánh xe hai bên Với hệ thống treo phụ thuộc, hai bánh xe đỡ hộp cầu xe dầm cầu xe, hai bánh xe dao động với gặp chướng ngại vật Loại hệ thống treo có đặc tính sau: + Cấu tạo đơn giản, chi tiết dễ bảo dưỡng + Có độ cứng vững cao nên chịu tải nặng + Vì có độ cứng vững cao nên xe vào đường vịng, thân xe bị nghiêng + Định vị bánh xe thay đổi chuyển động lên xuống chúng, nhờ mà bánh xe bị mịn - Ưu điểm, nhược điểm: + Ưu điểm: Cơ cấu lái áp dụng loại hệ thống có ưu điểm có tỉ số truyền lớn, kết cấu đơn giản, dễ bảo dưỡng, sửa chữa + Nhược điểm : Khó khăn cho việc bố trí trợ lực lái - Phạm vi áp dụng: + Áp dụng xe có tải trọng lớn, tải trọng trung bình, xe khách SVTH: Mai Đình Khải 1.3.2 Hệ thống lái hệ thống treo độc lập - Sơ đồ Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống lái với hệ thống treo độc lập Vô lăng; 2.Trục lái; 3.Cơ cấu lái; 4.Trục cấu lái; 5.Đòn quay; 6.Bộ phận dẫn hướng hệ thống treo; 7.Đòn kéo bên; 8.Đòn lắc; 9.Bánh xe dẫn hướng - Đặc điểm kết cấu: + Trên hệ thống treo độc lập, hai bên bánh xe dịch chuyển độc lập nhau, dẫn động lái phải đảm bảo không ảnh hưởng đến khả dịch chuyển hệ thống treo đồng thời đảm bảo chuyển hướng bánh xe dẫn hướng hai bên cầu trước Để thỏa mãn điều này, dẫn động lái hệ thống treo độc lập sử dụng loại địn chia cắt Về mặt ngun tắc đồn dẫn động thỏa mãn quan hệ động học Ackerman có hình dáng hình thang lái Đanto + Đối với hệ thống treo độc lập, q trình tơ chuyển động chịu tác dụng lực từ mặt đường bánh xe dao động độc lập theo kết cấu hệ thống treo mà không chịu tác động qua lại đồng thời hệ thống treo phụ thuộc Bởi mà hệ thống lái thiết kế cho xe sử dụng loại hệ thống treo 10 SVTH: Mai Đình Khải Với xe tham khảo xe du lịch có trợ lực lái nên tỷ số truyền hệ thống lái il=15-20 tỷ số truyền dẫn động lái ta chọn id =1 nên ta chọn tỷ số truyền cấu lái cần thiết kế ic =20 tỷ số truyền hệ thống lái xác định theo công thức : il= id.ic= 1.20= 20 3.2.2 Thiết kế cấu lái Mô men xoắn băng mô men cản(Mt.răng= Mc = Tt.rang) Hiệu suất cấu trục vít-thanh   0,9 Mơ men xoắn trục vít: Tt.v  M t rang   Tt rang   622,95  692,16( Nm) 0,9 Chọn vật liệu: truyền động trục vít có vận tốc trượt lớn điều kiện dầu bôi trơn không thuận lợi nên cần chọn cặp vật liệu làm trục vít-thanh chúng có hệ số ma sát thấp, bền mịn va giảm bớt nguy hiểm dính Mặt khác tỷ số truyền lớn nên tần số chịu tải trục vít lớn nhiều so với nên vật liệu làm trục vít phải có tính cao vật liệu làm Với lí chọn vật liệu sau: -vật liệu làm răng: thép 40XH cải thiện -vật liệu làm trục vít: thép 45, tơi bề mặt đến độ rắn HRC> 45 a Xác định kích thước thơng số Đường kính cắt mặt cắt nguy hiểm nhất: dtr  Mx 0,2 x  (3.11) Trong đó:  x  :ứng suất xoắn cho phép = (50 – 80) KG/mm2  x  =50KG/mm2 =500N/mm2 Mx:Momen xoắn gây nên nguy hiểm mơ men cản quay vịng bánh xe: Mx=Mc=622,95(Nm) 33 SVTH: Mai Đình Khải Thay thông số vào công thức(2.12) ta được: Mx 622,95.103 3  18,39(mm) 0,2 x  0,2.500 d tr  Chọn dtr=25 (mm) Chiều dài làm việc răng: L=202(mm) Mô đun chọn dãy : m=2,5 Bước răng: t=.m =3,14.2,5 =7,85 (mm) Chiều cao răng: h=2,5.m =2,5.2,5 =6,25(mm) Số cần thiết để quay vòng: Z ct  202  25,73 7,85 Chọn số răng: Zct= 26(răng) Khoảng cách liên tiếp răng: y L 202   7,77 Z ct 26 Góc nghiêng (hợp với phương ngang) Góc nghiêng  thường chọn 820 chọn  = 170 b Tính tốn thơng số truyền trục vít: Mơ đun trục vít chọn theo tiêu chuẩn: m =2,5 Hệ số đường kính trục chọn theo bảng 7.33 “tính tốn thiết kế hệ thống dẫn động khí Trịnh Chất – Lê Văn Uyển” q =8 Đường kính vịng chia: dt.v=q.m =8.2,5 =20 (mm) Đường kính vịng đỉnh: da =m.(q+2) =2,5.(8+2) =25 (mm) Đường kính vịng đáy: df=m.(q-2,4) =2,5.(8-2,4) =14 (mm) Khoảng cách trục: aw =(dtv+dtr)/2 =(25+20)/2 =22,5 (mm) 3.2.3 Tính bền cấu trục vít- 34 SVTH: Mai Đình Khải Trong trình làm việc chịu ứng suất uốn tiếp xúc chịu tải trọng va đập từ mặt đường Vì thường gây tượng rạn nứt chân Do ảnh hưởng lớn đến độ tin cậy tuổi thọ cấu lái Để đảm bảo yêu cầu làm việc cấu lái vật liệu chế tạo dùng thép XH cải thiện  ch   600 N / mm ;  b   850 N / mm ; HB  230  300 a Ứng suắt tiếp xúc cho phép Giới hạn bền mỏi tiếp xúc truyền trục vít- răng:  H   2,8.ch   2,8.6001680(N / mm2 ) Ứng suất tiếp xúc cho phép truyền trục vít- răng:   H max  .Z R Z v .K HL K XH S H    H    (3.12) Trong đó: + SH : hệ số an toàn; lấy SH =1,1 + ZR :Hệ số xét đến ảnh hưởng độ nhám; ZR =0,95 + ZV :Hệ số xét ảnh hưởng vận tốc vòng; ZV =1 + KXH :Hệ số xét ảnh hưởng kích thước trục vít; KXH =1 + KHL :Hệ số tuổi thọ ; KHL =1 Thay thông số vào công thức (3.12) ta được:  H    1680 .0,95.1.1.1  1450,9( N / mm )  1,1  b Ứng suất uốn cho phép: Giới hạn bền mỏi truyền trục vít- thanh: F max  0,8.Ch = 480 Ứng suất uốn truyền trục vít- răng: 35 SVTH: Mai Đình Khải   F max   .YR.YS KXF  SF   F    Trong đó: + YR=1;KXF =1 + SF: Hệ số an toàn; lấy SF =1,75 + YS =là hệ số kể đến tới ảnh hưởng mô đun với m =2,5 ta chọn YS =1,03 +  F   480.1.1,03.1  282,5 1,75 (N/mm2) c Kiểm nghiệm độ bền truyền trục vít- Kiểm nghiệm độ bền tiếp xúc:  H   ZM ZH Z 2.T.KH KHV (i1 1).K H (3.13) bw i1.dw2 Trong đó: + ZM: hệ số kể đến tính vật liệu Vật liệu cấu thép nên chọn ZM =274 +: Góc profin gốc Theo TCVN1056-71  =200 ZH: Hệ số kể đến hình dáng bề mặt tiếp xúc: ZH  cos  cos17   1,73 sin(2. ) sin(2.20) + Z: Hệ số kể đến trùng khớp: Z  1   0,77  1,7 + : Là hệ số trùng khớp ngang,  tính theo cơng thức sau: 36 SVTH: Mai Đình Khải   1    1     1,88 3,2.  .cos  1,88 3,2   cos170  1,7  Y   0,58 1,7  26     Z1 Z2   KHV: Hệ số tải trọng động Với cấp xác ta chọn theo bảng 3.17 “TKMHCTM”  KHV =1,01 KH: Hệ số kể đến phân bố không tải trọng cặp bánh ăn khớp Tra bảng 3.15 KH=1,13 KH: Hệ số kể đến phân bố không tải trọng chiều rộng bánh răng.Tra bảng 3.7 KH=1,02 + Chiều rộng vành răng:bw (mm) bw = ba.aw = 0,5.22,5 = 11,25 Chọn ba = 0,5 + Đường kính vịng lăn: dw   dw  bw Tra bảng chọn bd = 0,6  bd 11,25  18,75 0,6 Thay thông số vào cơng thức (3.13) ta có:  H  274.1,73.0,77 2.622,95.1,13.1,02.(20  1)  225,36( N / mm2 ) 11,25.20.18,75 H H, thoả mãn điều kiện tiếp xúc d Kiểm nghiệm độ bền uốn: F  2.T.YF KF KF KFv.Y Y bw.dw.m (3.14) Trong đó: + YF: Hệ số dạng Với hệ số dạng dịch chỉnh  =0,5 số tương đương: Ztd  Z 26   29,7 cos  cos 17 37 chọn Ztd = 30 SVTH: Mai Đình Khải Tra bảng 3.18  YF =3,4 KH: Hệ số kể đến phân bố không tải trọng chiều rộng răng.Tra bảng 3.7 ta KH =1,04 KF: Hệ số kể đến phân bố tải trọng cho đôi đồng thời ăn khớp Tra bảng 3.15 ta KF= 1,37 KFV: Hệ số kể đến tải trọng động tính uốn KFV 1 Với vF bw.dw 2.T.KF KF vF   F g0 v aw u F: Hệ số kể đến ảnh hưởng sai số ăn khớp, tra bảng 3.17a ta có: F =0,006 g0: Hệ số ảnh hưởng sai lệch bước răng, tra bảng 3.17b ta có g0 =73 v: Vận tốc dài răng, coi v =1(m/s) thay vào ta v F  0, 006 73 25  0, 489 20 Thay số vào biểu thức ta K FV   0,489 11,25 18,75  1,06 2.622 ,95 1,04 1,37 + Y : Hệ số kể đến độ nghiêng  170 Y    1  0,88 1400 1400 Thay thông số vào biểu thức (3.14) ta được: F  2.622,95.3,4.1,04.1,37.1,06.0,88.0,58  6,19 11,25.18,75.2,5 F F, thoả mãn cề điều kiện uốn 38 (N/mm2) SVTH: Mai Đình Khải Vậy điều kiện bền thoả mãn Vậy truyền trục vít- đảm bảo đủ bền trình làm việc 3.3 Thiết kế kết cấu kiểm tra dẫn động lái 3.3.1.Kiểm nghiệm trục lái : - Trục lái dùng để truyền chuyển động từ vô lăng đến cấu lái Để giảm thiểu việc truyền va đập từ mặt đường lên vành tay lái trục lái nối với cấu lái khớp nối mềm khớp đăng - Điều kiện làm việc trục lái chủ yếu chịu ứng uất xoắn Do trục lái thường chế tạo ống thép rỗng Vật liệu chế tạo trục lái thép 45 có ứng suất cho phép xoắn là:  x   600 (KG/cm2) Chọn đường kính ngồi trục lái :Dn = 20 =2 cm (mm) Đường kính trục lái : dt = 0,7Dn = 14= 1,4 (mm) => Lấy dt = 14 (mm) - Kiểm tra bền theo điều kiện chịu xoắn trục lái: = dt/Dn  Ttv 69,21   56,9( KG / cm2) 0,2.D (1   ) 0,2.23 (1  0,7 ) n Vậy: => τ= 56,9(kG/cm2) <  x  Vậy điều kiện xoắn thỏa mãn - Kiểm tra góc xoắn:   Ttv L 69 , 21 51   , 0027 [ rad ]  ,15 G J o 10 1, Trong đó: L – Chiều dài trục lái, lấy L = 510 (mm) G – Mô đun đàn hồi dịch chuyển.G = 8.105 KG/cm J0 = 0,1 Dn4 = 0,1.24 = 1,6