1.1. Công dụng, phân loại, yêu cầu của hệ thống lái tên ô tô 1.1.1. Công dụng Hệ thống lái giữ vai trò điều khiển hướng chuyển động của ô tô (thay đổi hay duy trì) theo tác động của người lái. Hệ thống lái tham gia cùng với các hệ thống điều khiển khác thực hiện điều khiển ô tô và đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn giao thông khi ô tô chuyển động. Hệ thống lái bao gồm các cụm và chi tiết từ cơ cấu điều khiển (vành lái) tới các cơ cấu điều khiển hướng chuyển động toàn xe. 1.1.2. Phân loại 1.1.2.1. Theo cách bố trí vành tay lái. Hệ thống lái với vành lái bố trí bên trái (khi chiều thuận đi đường là chiều phải). Hệ thống lái với vành lái bố trí bên phải (khi chiều thuận đi đường là chiều trái).
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THƠNG VẬN TẢI KHOA CƠ KHÍ BỘ MƠN CƠ KHÍ Ơ TƠ THIẾT KẾ MÔN HỌC KẾT CẤU TÍNH TỐN Ơ TƠ NỘI DUNG: THIẾT KẾ HỆ THỐNG LÁI Ô TÔ Sinh viên: Lê Ngọc Hiện Mã SV: 881790003 Lớp: khí tơ Hệ: Chính quy Khóa: k58 Người hướng dẫn: Th.s Đỗ Khắc Sơn HÀ NỘI-2021 Mục lục MỞ ĐẦU Thiết kế môn học(TKMH) điều kiện cần để sinh viên hiểu rõ nội dung mà học Vào học kì cuối, sinh viên đủ làm thiết kế môn học Thực TKMH hội để sinh viên tổ hợp kiến thức, thể khả năng, tìm hiểu thực tế trau thêm kĩ cần thiết trước thức trường Như biết, tơ với đặc điểm có tính động linh hoạt cao trở thành phương tiện cần thiết nghành giao thông vận tải Ngày nay, ô tô thành viên thiếu xã hội Ơ tơ đóng góp vai trị phát triển công nghiệp kinh tế Đồng thời, cịn phương tiện nâng cao tiện nghi đời sống hỗ trợ giao lưu, phát triển văn hóa xã hội Do vậy, TKMH Kết cấu tính tốn ô tô, em chọn thực đề tài: “Thiết kế hệ thống lái ô tô con” Sinh viên thực LÊ NGỌC HIỆN CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Công dụng, phân loại, yêu cầu hệ thống lái tên ô tô 1.1.1 Công dụng Hệ thống lái giữ vai trị điều khiển hướng chuyển động tơ (thay đổi hay trì) theo tác động người lái Hệ thống lái tham gia với hệ thống điều khiển khác thực điều khiển ô tô đóng vai trị quan trọng việc đảm bảo an tồn giao thơng tơ chuyển động Hệ thống lái bao gồm cụm chi tiết từ cấu điều khiển (vành lái) tới cấu điều khiển hướng chuyển động toàn xe 1.1.2 Phân loại 1.1.2.1 Theo cách bố trí vành tay lái - Hệ thống lái với vành lái bố trí bên trái (khi chiều thuận đường chiều phải) - Hệ thống lái với vành lái bố trí bên phải (khi chiều thuận đường chiều trái) 1.1.2.2 Theo kết cấu cấu lái - Cơ cấu lái trục vít lăn Hình 1.1 : Cơ cấu lái trục vít lăn Loại cấu lái sử dụng rộng rãi Trên phần lớn ôtô Liên Xơ loại có tải trọng bé tải trọng trung bình đặt loại cấu Cơ cấu lái gồm trục vít gơbơlơit ăn khớp với lăn (có ba ren) đặt ổ bi kim trục đòn quay đứng Số lượng ren loại cấu lái trục vít lăn một, hai ba tuỳ theo lực truyền qua cấu lái Ưu điểm: Nhờ trục vít có dạng gơbơlơit chiều dài trục vít khơng lớn tiếp xúc ăn khớp lâu diện rộng hơn, nghĩa giảm áp suất riêng tăng độ chống mài mòn Tải trọng tác dụng lên chi tiết tiếp xúc phân tán tùy theo cỡ ô tô mà làm lăn có hai đến bốn vịng ren Mất mát ma sát nhờ thay ma sát trượt ma sát lăn Có khả điều chỉnh khe hở ăn khớp bánh Đường trục lăn nằm lệch với đường trục trục vít đoạn Δ= ÷ 7mm, điều cho phép triệt tiêu ăn mòn ăn khớp cách điều chỉnh trình sử dụng - Cơ cấu lái kiểu trục vít- ê cu- bi, răng- cung Hình 1.2 Cơ cấu lái trục vít – ê cu bi, – cung Nguyên lý làm việc: Khi trục vít quay (phần chủ động), ê cu- bi chạy dọc trục vít, chuyển động làm quay rẻ quạt Trục bánh rẻ quạt trục đòn quay đứng Khi bánh rẻ quạt quay làm cho đòn quay đứng quay, qua đòn dẫn động làm quay bánh xe dẫn hướng Ưu điểm: Ma sát trục vít ê cu ma sát lăn thông qua viên bi, mà hiệu suất truyền lực cao, giảm mòn cấu lái Tỉ số truyền cấu lái thay đổi bán kính vịng chia cung bước thay đổi Hiệu suất thuận nghịch gần đạt η=0,85÷0,70 có khả điều chỉnh khe hở bánh rẻ quạt - Cơ cấu lái kiểu bánh - Hình 1.3 Cơ cấu lái bánh răng– Nguyên lý làm việc: Vành lái nhận lực từ người lái tạo momen quay, momen truyền qua trụ lái đến cấu lái bánh Cơ cấu lái tác động lên gắn liền với trục dẫn động làm quay đòn quay kéo bánh xe quay tạo nên thay đổi hướng ô tô Ưu điểm: Cơ cấu lái đơn giản gọn nhẹ Do cấu lái nhỏ thân tác dụng dẫn động lái nên khơng cần địn kéo ngang cấu lái khác Có độ nhạy cao ăn khớp trực tiếp Sức cản trượt, cản lăn nhỏ truyền mô men tốt nên tay lái nhẹ Cơ cấu lái bao kín hồn tồn tồn nên phải chăm sóc bảo dưỡng Nhược điểm Kích thước chiều dài cấu lớn, chế tạo từ thép chất lượng cao, kích thước nhỏ, dễ bị cong trình sử dụng 1.1.2.3 Theo số bánh dẫn hướng Hệ thống lái với bánh xe dẫn hướng cầu trước Hình 1.4 Cầu trước dẫn hướng dẫn Hệ thống lái hướng cầu với bánh xe sau Hình 1.5 Cầu sau dẫn hướng Hệ thống lái với bánh xe dẫn hướng hai cầu Hình 1.6 Hai cầu dẫn hướng Hệ thống lái với bánh xe dẫn hướng nhiều cầu Hình 1.7 Nhiều cầu dẫn hướng 1.1.2.4 Theo nguyên lý làm việc phận trợ lực lái Loại trợ lực lái thủy lực Loại trợ lực lái loại khí Loại trợ lực lái khí Loại trợ lực lái dùng điện 1.1.2.5 Theo kết cấu phận thủy lực Hệ thống lái với phận chịu lực kiểu van xoay Hệ thống lái với phận chịu lực kiểu van trượt 1.1.3 Yêu cầu Một hệ thống định đến tính an tồn ổn định chuyển động ô tô hệ thống lái Theo hệ thống lái cần đảm bảo yêu cầu sau : - Đảm bảo tính vận hành cao ơtơ có nghĩa khả quay vòng nhanh ngoặt thời gian ngắn diện tích bé - Lực tác động lên vành tay lái nhe, vành tay lái phải nằm vị trí tiện lợi người lái để tạo cảm giác thoải mái cho người lái trình điều khiển - Đảm bảo động học quay vịng để q trình quay vịng bánh xe khơng bị trượt lết - Hệ thống trợ lực phải đảm bảo xác, tính chất tuỳ động đảm bảo phối hợp chặt chẽ tác động hệ thống lái quay vòng bánh xe dẫn hướng - Đảm bảo quan hệ tuyến tính góc quay vành tay lái góc quay vịng bánh xe dẫn hướng - Cơ cấu lái phải đặt phần treo để kết cấu hệ thống treo trước khơng ảnh hưởng đến tính động học cấu lái - Hệ thống lái phải bố trí cho thuận tiện cho q trình bảo dưỡng, sữa chữa - Khơng địi hỏi người lái xe cường độ lao động lớn điều khiển ô tô - Đặt cấu lái lên phần treo ô tô, cấu tạo đơn giản điều khiển nhẹ nhàng thuận lợi 10 Q= Pp × a b = Ga1 × m1 p × ϕ × a 2×b Trong đó: G1 : trọng lượng tác dụng lên bánh xe trước ôtô trạng thái tĩnh m1p: hệ số phân bố trọng lượng lên cầu dẫn hướng phanh, lấy m1p = 1,4 : hệ số bám, chọn = 0,8 a : chọn sơ theo phần tính tốn trước, a = 100 mm Thay vào cơng thức (2.25), ta có: -Các địn dẫn động làm thép ống 40X 38 Tiết diện kéo: D d Hình 2.10 Tiết diện kéo Kích thước địn dẫn động: Ứng - Địn kéo dọc:Ddd = 40 (mm); ddd = 30 (mm); - Đòn kéo ngang: Ddn = 40 (mm); ddn = 30 (mm); suất nén dọc: σ nd = N < [ σ n ] = 25 ÷ 52 ( KG / mm ) Fd Trong đó: [σn ]- ứng suất nén cho phép, chọn [σn ] =25 (KG/mm2) Fd - tiết diện dọc : Vậy ta có: = 35 (KG/mm2) Ứng suất nén ngang: = 3,4 (KG/mm2) Hệ số dự trữ bền: = 0,1 Vậy đủ bền ( k = 1,25 3,5) Kiểm tra bền địn bên: Kích thước: - Chiều dài đòn bên: m = 167,3 (mm) 39 - Tiết diện tính tốn hình chữ nhật: bb = 70 (mm); hb= 50 (mm) N m b b θ D h b D Hình 2.11 Sơ đồ tính tốn địn bên Để đảm bảo an tồn tính ổn định q trình làm việc, địn bên làm thép 20X, có ứng suất uốn cho phép: [σu] = 250 (MN/m2) Đòn bên dẫn động lái chủ yếu chịu ứng suất uốn Do ta tính theo điều kiện bền uốn Đòn bên chịu lực lớn phanh - lực dọc N Mơmen uốn tác dụng lên địn bên xác định theo cơng thức sau: Mu = m.Ncos θ Mu = 0,2324.4300.cos240 = 912,9 (Nm) Ta tính ứng suất tiết diện nguy hiểm chỗ giao hai tiết diện cầu trước đòn bên σu = Mu Wu Trong đó: = 29166,7.10-9 (m3) Suy ra: = 32,3 (MN/m2) 40 Vậy σu < [ σu ] ⇒ đòn bên thoả mãn điều kiện bền uốn Rotuyn lái [ δ cd ] = 30 N / mm2 Chọn vật liệu chế tạo khớp cầu thép 20XH có , khớp cầu kiểm nghiệm theo ứng suất chốn dập vị trí làm việc kiểm tra độ bền cắt vị trí ngàm Lực tác dụng lên khớp cầu lực tác dụng lên địn quay đứng, P D= N = 10750 (N) Hình 2.12 Sơ đồ lực tác dụng ∗Kiểm tra ứng suất chèn dập bề mặt làm việc khớp cầu: δ cd = PD F (2.29) Trong đó: F – diện tích tiếp xúc mặt cầu đệm rotuyn Trong thực tế làm việc, diện tích làm việc chiếm 2/3 bề mặt khớp cầu Nên bề mặt chịu lực tiếp xúc chiếm 1/2 2/3 = 1/3 bề mặt khớp cầu 41 Ta có: F= πD D –đường kính khớp cầu, chọn theo thực tế D = 30mm → = 20,2 N/mm2< Thỏa mãn điều kiện chèn dập bề mặt làm việc khớp cầu ∗ Kiểm tra theo độ bền cắt Kiểm tra khớp cầu vị trí nguy hiểm (vị trí ngàm), với ứng suất cắt cho phép là: [ τ c ] = 80 N / mm2 Ứng suất cắt tính theo cơng thức sau: Trong đó: = =706,5 → Thỏa mãn điều kiện cắt tiết diện nguy hiểm Vậy khớp cầu đủ bền trình làm việc 1.6 Tính tốn thiết kế trợ lực lái Như biết trợ lực lái thủy lực, chúng bao gồm :bơm thủy lực, van phân phối, xylanh lực + Bơm thủy lực thường sử dụng bơm cánh gạt dẫn động trích cơng suất từ động + Van phân phối Van phân phối có nhiệm vụ điều khiển đóng mở đường dầu cấp tới xy lanh lực hồi dầu bơm Van phân phối HTL có trợ lực thủy lực 42 ngày thường tích hợp cấu lái nhận truyền động điều khiển trực tiếp từ trục lái Van phân phối lắp cấu lái loại van xoay, van trượt, van cánh gạt Ở đề tài này, kết cấu cấu lái lựa chọn kết hợp với van phân phối dạng van trượt lắp phần đầu vỏ cấu lái Nội dung tính tốn van phân phối khơng đề cập đến đề tài 1.6.1 Xác định lực cần thiết trợ lực lái Ta có: Qvl = Qnl + Qtl Trong đó: Qvl - lực cản quay từ vành lái Qvl = 344,65 Qnl - lực người lái tác dụng vào vành lái Chọn Qnl = 100 Qtl - lực từ trợ lực lái => Qtl = Qvl - Qnl = 344,65 – 100 = 244,65 Vậy phần trăm trợ lực là: 1.6.2 Xây dựng đường đặc tính xilanh Kích thước xy lanh lực cần phải đủ lớn để đảm bảo sinh lực cần thiết áp suất chất lỏng hệ thống trợ lực lái có giới hạn Với hệ thống lái có cường hoá, để người lái giữ cảm giác mặt đường ta chọn lực lớn người lái đặt vào vành lái là: Qnl = 100 Mômen quay vòng người lái lớn quy dẫn đến trụ xoay đứng: Mlmax=Qnl.Rv.icc.η.idd =100.0,25.22,3.0,7.1,4 = 546,35 (N) Mômen cản quay vòng trục đòn quay đứng thu nhận xy lanh lực: MCqmax = MCmax – MLqmax = 1883,6 – 546,35 = 1337,25 (Nm) 43 Đường kính xy lanh lực là: Dxl (mm) Diện tích xy lanh lực: = 5230,6 (mm2) Trong đó: Pmax = (MN/m2) - Áp suất dầu cực đại Ta có đường kính xy lanh lực: Dxl = Tính đường kính ngồi kiểm tra bền xy lanh lực: + Yêu cầu chọn vật liệu chế tạo: Xy lanh lực chịu áp suất p = 80 (KG/cm 2) nên ta chọn vật liệu chế tạo gang cầu + Tính độ bền xy lanh lực: Khi tính độ bền xy lanh lực thường bỏ qua tác động ngẫu nhiên lên (va đập từ bên ngồi…) mà để ý ảnh hưởng áp suất chất lỏng bên xy lanh Xy lanh xem ống thành dày Chiều dày thành xylanh ta chọn theo kinh nghiệm thực tế: t =10 (mm) Với vật liệu gang cầu ta có: [σ] = 700 Đường kính ngồi xy lanh lực: dn = Dxl + 2.t= 87 +2.12 = 111 (mm) Ứng suất xy lanh lực xác định theo công thức: Vậy xy lanh thỏa mãn điều kiện bền 1.6.3 Tính sơ hành trình làm việc Piston Xét bánh xe dẫn hướng đặt tay địn ngang: 44 Góc quay lớn bánh xe dẫn hướng là: φmax = φ1 + φ2 Với αmax địn quay đứng quay góc: ° Với βmax địn quay đứng quay góc: ° Góc quay tồn địn quay đứng: = = °+° = 83° Góc quay lớn bánh rẻ quạt từ vị trí trung gian góc quay lớn địn quay đứng, góc đánh lái lớn vơ lăng từ phía trái sang phải là: Hành trình SC piston chiều dài cung tròn bánh rẻ quạt ứng với góc quay lớn α rq : Năng suất bơm xác định từ điều kiện cho xylanh lực cường hóa phải kịp làm quay bánh xe dẫn hướng nhanh người lái Lưu lượng bơm dầu phải thỏa mãn điều kiện: Qb ηb ( − δ ) ≥ F ds dt Trong đó: Qb - suất định mức bơm, ηb - hiệu suất thể tích bơm áp suất =0,75 F - diện tích piston, xylanh lực δ - độ hao hụt dầu hệ thống (δ = 0,05 ÷ 0,1) -tốc độ piston, xy lanh lực, ( m / s) 45 Đối với cường hóa có xy lanh kéo dọc: ds π nv ld = dt 30.i c Trong đó: ld - chiều dài địn quay đứng, chọn ld = 220 ( mm ) nv– số vòng quay cực đại vành tay lái người lái Chọn nv = 70 ( v / p) ic- tỷ số truyền cấu lái =>Q==F =>Q = 24016,8 ( mm2/s ) KẾT LUẬN Trên toàn nội dung thuyết minh TKMH em Có thể thấy TKMH không cung cấp cho em kiến thức bổ ích chun ngành mà cịn giúp em tổng hợp lại kiến thức môn học khác chi tiết máy, sức bền, …… Sau thời gian nghiên cứu, tính tốn thiết kế, giúp đỡ tận tình, bảo Thầy giáo Thầy môn, bạn lớp em hồn thành cơng việc sau dựa số liệu xe thiết kế: - Thiết kế, tính tốn cấu lái trục răng-thanh 46 - Thiết kế hình thang lái - Thiết kế trục lái - Kiểm tra bền cấu lái, dẫn động lái -Bảo dưỡng sửa chữa hệ thống lái Mặc dù có nhiều cố gắng thời gian kinh nghiệm thiết kế hạn chế nên khơng thể tránh khỏi nhứng thiếu sót Vì em mong nhận bảo Thầy để thiết kế em hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO Cơ sở thiết kế ôtô - Nguyễn Khắc Trai , Nhà suất giao thông vận tải Kết cấu tính tốn tơ -Trịnh Chí Thiện – Tơ Đức Long – Nguyễn Văn Bang, Nhà Xuất Bản Giao Thông Vận Tải - Năm 1984 3.Tính tốn thiết kế hệ dẫn động khí –Trịnh Chất _Lê Văn Uyển ,Nhà xuất giáo dục 4.Chi tiết máy – Trương Tất Đích , Nhà xuất giao thông vận tải Một số tài liệu tham khảo máy thiết kế máy Cấu tạo chung Sơ đồ tổng qt hệ thống lái khơng có trợ lực Gồm có vành tay lái, trục lái, dẫn động lái: 48 Hình 1.2: Sơ đồ tổng quát hệ thống lái Vành lái Đòn quay đứng Đòn quay ngang Trục lái Đòn kéo dọc Trụ quay đứng Cơ cấu lái Hình thang lái Bánh xe * Vành lái Vành lái có dạng vành trịn Lực người lái tác dụng lên vành lái tạo mômen quay để hệ thống lái làm việc Mômen tạo vành lái tích số lực người lái vành tay lái với bán kính vành lái Vành lái loại tơ có độ rơ định, với xe không vượt 80 * Trục lái 49 Trục lái có nhiệm vụ truyền mô men lái xuống cấu lái Trục lái gồm có trục lái truyền chuyển động quay vô lăng xuống cấu lái ống trục lái để cố định trục lái vào thân xe Trục lái kết hợp với cấu hấp thụ va đập Cơ cấu hấp thụ lực dọc trục tác dụng lên người lái có va đập mạnh tai nạn xảy * Cơ cấu lái Cơ cấu lái giảm tốc đảm bảo tăng mômen tác động người lái đến bánh xe dẫn hướng Tỷ số truyền cấu lái thường 18 đến 20 xe từ 21 đến 25 xe tải Đòn quay đứng - Cơng dụng: Địn quay đứng để truyền chuyển động từ trục thụ động cấu lái đến đòn dọc dẫn động lái Đòn quay nối với dẫn động lái nhờ khớp cầu nối với trục cấu lái then hoa hình tam giác Lực Q lực tác dụng lên chốt cầu đòn quay đứng Q1 = PD, Với PD lực cản quy đầu địn quay đứng Ta có: Ml.ηt.il = PD.ld (chọn ld = 300 mm) Vậy PD = = = 503,88 N Q1 = PD = 503,88 N N = Q2 = 0,5.G1 = 0,5.7100 =3550 N Khi tính bền ta tính tiết diện nguy hiểm Chọn vật liệu chế tạo đòn quay đứng thép 40X 50 Hình 2.10 cấu tạo địn quay đứng 1-Rơ tuyn lái, - Đòn quay đứng, 3-Trục quay đòn quay đứng Chọn kích thước sơ mặt cắt I-I a= 75 mm, b= 25 mm * Kiểm tra địn đứng theo uốn: Ta tính tiết diện nguy hiển I-I Coi địn quay đứng có mặt cắt hình chữ nhật (m3) Mu= Q.ld =503,88.0,3 = 151,2 (N.m ) (chọn ld = 300 mm) 51 ⇒ ( N/m2 ) = 6,5 (N/mm2) Vật liệu chế tạo thép 40X nên ta có: Vậy < [δ ] [δ ] =1000 (N/mm2) =1000 (N/mm2) nên thỏa mãn điều kiện bền uốn * Kiểm tra đòn quay đứng theo xoắn: (2.18) c: Cánh tay địn hình vẽ (chọn c = 50 mm) α : Được chon theo bảng sau đây: Bảng 2.1 Bảng hệ số α b a/ 1.2 1.25 1.5 1.75 2.5 α 0.20 0.21 0.22 0.23 0.23 0.25 Với a 75 = =3 b 25 ⇒ , ta chọn α =0.253 ==19,2.106 (N/m2) Vật liệu chế tạo thép 40X nên ta có: τ =19,2.10 (N/m ) < [τ ] [τ ] ÷ = (150 310) 106 (N/m2) Thỏa mãn giới hạn cho phép 52 ... Sơ đồ tổng quát hệ thống lái khơng có trợ lực Gồm có vành tay lái, trục lái, dẫn động lái: 48 Hình 1.2: Sơ đồ tổng quát hệ thống lái Vành lái Đòn quay đứng Đòn quay ngang Trục lái Đòn kéo dọc... Cơ cấu lái Hình thang lái Bánh xe * Vành lái Vành lái có dạng vành trịn Lực người lái tác dụng lên vành lái tạo mômen quay để hệ thống lái làm việc Mômen tạo vành lái tích số lực người lái vành... lên hệ thống lái Momen điều khiển có giá trị lực người lái tác động nhân với bán kính vành lái - Trục lái có nhiệm vụ truyền momen điều khiển từ vành lái đến cấu lái - Trên vành lái trục lái