3.2.1 Bố trí chung hệ thống lái
Hệ thống lái trên xe Toyota Fortuner 2017 là hệ thống lái có trợ lực lái kiểu bánh răng- thanh răng nên giúp giảm nhẹ lao động cho người lái và tăng tính an toàn lao động. Dẫn động hệ thống lái thông qua trục lái, khớp các đăng và các khâu khớp trong hình thang lái, cơ cấu lái và bơm trợ lực lái được bố trí riêng, cơ cấu lái được bắt chặt vào khung xe và nối với trục lái bằng khớp các đăng. Bơm dầu trợ lực lái là loại bơm phiến gạt tác dụng kép, số cánh gạt là 10 cánh, trên thân bơm có bố trí van an toàn.
Hình 3.2: Hệ thống lái trên xe Toyota Fortuner 2017
Hệ Thống lái trên xe Toyota Fortuner 2017 bao gồm: vành tay lái, cơ cấu lái, dẫn động lái, trợ lực lái.
33
1.Vành lái (vô lăng); 2. Trục lái; 3. Thanh răng lái; 4. Xi lanh trợ lực; 5. Cảm biến tốc độ; 6.Bơm trợ lực; 7. Bình chứa dầu; 8. Van điều khiển; 9. Thanh nối;10. Làm mát dầu
trợ lực; 11. Rô tuyn.
- Vành lái (vô lăng): vành lái cùng với trục lái có nhiệm vụ truyền lực quay vòng của người lái từ vành lái đến trục răng của cơ cấu lái.
- Cơ cấu lái: cơ cấu lái sử dụng trên xe Toyota Fortuner 2017 là cơ cấu lái bánh răng trụ và thanh răng. Nó có nhiệm vụ biến chuyển động quay của trục lái thành chuyển động góc của đòn quay đứng và khuếch đại lực điều khiển trên vành tay lái.
- Dẫn động lái: dẫn động lái bao gồm trục lái, thanh ngang, trục rô tuyn, cam quay. Nó có nhiệm vụ biến chuyển động góc của đòn quay đứng thành chuyển động góc của trục bánh xe dẫn hướng.
-Hệ thống trợ lực lái: có nhiệm vụ làm giảm lực điều khiển trên vành tay lái để giảm cường độ lao động cho người lái và để tăng tính an toàn của hệ thống điều khiển lái.
So với hệ thống lái không có trợ lực, cấu tạo chung của hệ thống lái có trợ lực gồm hai phần chính: phần lái cơ khí có cấu tạo và nguyên lý giống với các hệ thống lái thông thường, phần trợ lực với các bộ phận chính sau:
- Nguồn năng lượng của trợ lực (Bơm thủy lực) - Van phân phối (Van điều khiển)
- Cơ cấu chấp hành (Xi lanh lực)
3.2.2 Đặc điểm kết cấu của hệ thống lái trên xe Toyota Fortuner 2017
a) Cơ cấu lái
• Cơ cấu lái: cơ cấu lái sử dụng trên xe Toyota Fortuner 2017 là loại bánh răng trụ- thanh răng. Nó có nhiệm vụ biến chuyển động quay của trục lái thành chuyển động góc của đòn quay đứng và khuếch đại lực điều khiển trên vành tay lái.
34
Hình 3.4: Cơ cấu lái bánh răng-thanh răng
1.Bạc lệch tâm; 2. Ở bị đỡ, 3. Trục răng; 4. Vít điều chỉnh; 5. Dẫn hướng thanh răng, 6.Lò xo nén, 7. Thanh răng; 8. Vỏ thanh răng, 9. Kẹp: 10. Bạc lót; 11.Cao su chắn
bụi: 12. Đầu thanh răng: 13.Thanh nối .
Cơ cấu lái kiểu bánh răng thanh răng có kết cấu đơn giản nên được sử dụng khá rộng rãi trên các loại xe ô tô hiện nay. Vỏ của cơ cấu lái được làm gang, trong vỏ có các bộ phận làm việc của cơ cấu lái, gồm trục răng phía dưới trục lái chính ăn khớp với thanh răng, vỏ của cơ cấu lái bánh răng trụ - thanh răng kết hợp làm luôn chức năng của thanh lái ngang trong hình thang lái. Trục răng được chế tạo bằng thép, trục răng quay trơn nhờ 2 ổ bi đặt trong vỏ của cơ cấu lái. Điều chỉnh các ổ này dùng một ecu lớn ép chặt các ổ bi, trên vỏ êcu có phớt che bụi. Để đảm bảo trụ răng quay nhẹ nhàng thanh răng có cấu tạo răng nghiêng, phần cắt răng của thanh răng nằm ở trái, phần thanh còn lại chuyển động tịnh tiến sang phải hoặc sang trái trên hai thanh trượt. Sự dịch chuyển của thanh răng được truyền xuống thanh cam quay qua các đầu răng và đầu thanh lái. Cơ cấu lái đặt trên cỏ xe để tạo góc ăn khớp lớn cho bộ truyền răng nghiêng thì trục răng đặt nghiêng ngược chiều nghiêng của thanh răng nhờ vậy sự ăn khớp của bộ truyền lớn, làm việc êm. Khi quay vành tay lái thông qua trục lái răng 3 sẽ làm dịch chuyển thanh răng 7 qua trái hoặc phải, Hai đầu thanh răng được nối bánh xe dẫn hướng qua các khớp cầu và thanh nối sẽ làm bánh xe dẫn hướng tương ứng với góc đánh vành tay lái. Dẫn hướng thanh răng 5 giúp giữ thanh răng không bị quay trong vỏ cơ cấu lái. Bạc lệch tâm 1 điều chỉnh ăn khớp giữa trục vít và thanh răng, còn vít điều chỉnh 4 để điều chỉnh khoảng hở mặt bên.
35
+ Kết cấu đơn giản, gọn nhẹ do cơ cấu lái nhỏ và bản thân thanh răng có tác dụng như thanh dẫn động lái nên không cần các thanh ngang như ở các cơ cấu lái khác.
+ Ăn khớp răng trực tiếp nên độ nhạy cao.
+ Ma sát trượt và lăn nhỏ kết hợp với sự truyền mômen tốt nên lực điều khiển trên vành lái nhẹ.
+ Cơ cấu lái được bao kín hoàn toàn nên ít phải bảo dưỡng.
+ Cơ cấu lái kiểu này thì tỉ số truyền có thể thay đổi được. Bước răng (khoảng cách giữa các răng giảm từ từ về hai phía đầu của thanh răng và độ sâu bước ăn khớp mà tại đó răng của trục răng ăn khớp với răng của thanh răng trở nên lớn hơn. Vì vậy đường kính ăn khớp thực tế của trục răng giảm khi nó tiến gần tới hai đầu của thanh răng. Điều đó có nghĩa là, cùng với một góc quay của vô lăng như nhau, ở phần giữa của thanh răng, nó sẽ di chuyển thoải mái hơn so với hai đầu của thanh răng. Như vậy, nếu so sánh tỷ số truyền không đổi tức lực lái tăng khi quay vô lăng thì kiểu có tỷ số truyền thay đổi, có lực lái thay đổi rất ít nên điều khiển lái rất nhẹ nhàng.
• Cấu tạo thước lái:
+ Cấu tạo chính gồm một trục vít ăn khớp với thanh răng. Khi người lái xoay vô lăng làm trục vít quay theo, trục vít ăn khớp với thanh răng nên làm cho thanh răng di chuyển sang trái hoặc phải. Để kết hợp thước lái với moay-ơ bánh xe, người ta bố trí thêm các khớp cầu hay còn gọi là rotuyn, mỗi thước lái gồm một cặp rotuyn lái trong và rotuyn lái ngoài. Các rotuyn và thanh răng tạo thành một hệ dẫn động lái có hình thang, hay còn gọi là hình thang lái.
+ Mục đích của việc tạo ra hình thang lái để đảm bảo chuyển động ổn định của xe khi quay vòng, bánh xe phía trong góc cua sẽ không bị trượt so với bánh ngoài.
b) Dẫn động lái
Dẫn động lái của xe Toyota Fortuner bao gồm trục lái chính và các thanh dẫn động Trục lái bao gồm trục lái chính truyền chuyển động quay 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 đai ốc Trục lái của xe dạng ống lồng liên kết với cơ cấu lại nhờ khớp các đăng.
36
Hình 3.5: Trục lái xe Toyota Fotuner 2017
+ Cấu tạo cơ bản của cơ cấu này bao gồm một cặp cữ chặn nghiêng, bulong khoá nghiêng, giá đỡ kiểu dễ vỡ, cần nghiêng vv… Các cữ chặn nghiêng xoay đồng thời với cần nghiêng. Khi cần nghiêng ở vị trí khoá, đỉnh của các cữ chặn nghiêng được nâng lên và đầy sát vào giá đỡ dễ vỡ và gá nghiêng, khoá chặt giá đỡ dễ vỡ và bộ gá nghiêng. Mặt khác, khi cần gạt nghiêng được chuyển sang vị trí tự do thì sẽ loại bỏ sự chênh lệch độ cao của các cữ chặn nghiêng và có thể điều chỉnh trục lái theo hướng thẳng đứng.
c) Trợ lực lái
Bộ trợ lực thuỷ lực là bộ trợ lực sử dụng một phần công suất của động cơ để tạo ra áp suất dầu thuỷ lực hỗ trợ cho quá trình xoay các bánh xe dẫn hướng để chuyển hướng chuyển động của ô tô. So với các bộ trợ lực khác như trợ lực khí nén, trợ lực điện, trợ lực điện thủy lực bộ trợ lực thủy lực có cấu tạo khá đơn giản, tác động nhanh hiệu suất trợ lực cao. Với công nghệ chế tạo hiện đại cho phép thiết kế được những bộ trợ lực thủy lực có kết cấu nhỏ gọn nên nó được sử dụng trên hầu hết trên các loại xe ô tô. Các bộ phận cơ bản của bộ trợ lực thuỷ lực bao gồm: Bơm thuỷ lực, van phân phối, xylanh lực, các đường ống dẫn dầu.
37
• Các bộ phận cơ bản của bộ trợ lực thủy lực: - Bơm thủy lực và các thiết bị phụ trợ
Bơm thuỷ lực là bộ phận cấu thành bộ trợ lực thuỷ lực. Được dẫn động bởi động cơ bằng đai và puli, nó có chức năng tạo ra áp suất dầu đủ lớn để cung cấp cho van phân phối dẫn đến các ngã của xy lanh lực hỗ trợ cho quá trình xoay các bánh xe dẫn hướng. Đây là bộ phận phức tạp và chịu tải trọng lớn nhất của bộ trợ lực, bơm làm việc với tốc độ cao (bằng với tốc độ của động cơ), do sự thay đổi về cường độ làm việc và môi trường xung quanh nên nhiệt độ của bơm có thể đạt tới 100 – 110 (0c), áp suất dầu tạo ra trong khoảng 55 – 80 (kG/cm2). Do yêu cầu về áp suất tạo ra và làm việc trong điều kiện môi trường bất lợi nên bơm trợ lực là bộ phận được chế tạo chính xác và chỉ được tháo lắp, kiểm tra, sửa chữa khi có đầy đủ dụng cụ và vệ sinh sạch sẽ, các van phải điều chỉnh theo tài liệu hướng dẫn và có thiết bị đo áp suất. Không cho phép điều chỉnh áp suất và lưu lượng bơm. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bơm thuỷ lực loại phiến gạt đang được sử dụng trên xe Toyota Fortuner 2017
Cấu tạo của loại bơm phiến gạt được thể hiện trên hình sau:
Hình 3.7: Cấu tạo của bơm trợ lực kiểu phiến gạt.
1.Bình chứa dầu; 2.Van xả không khí; 3.Đĩa phân phối; 4.Roto quay; 5.Trục quay; 6.Phiến gạt; 7.Cụm van điều tiết; 8.Vỏ bơm; 9.Nắp bơm.
Việc bình dầu có thể được lắp trực tiếp vào thân bơm hay lắp rời và được nối với bơm bằng hai ống mềm, thông thường trên nắp bình có một thước đo mức để kiểm tra mức dầu. Rôto (4) được lắp chặt với trục (5) bằng then, trên rôto có các rãnh trong các rãnh có chứa các phiến gạt, các phiến gạt này có thể chạy tự do trong rãnh và được giới hạn bởi đĩa
38
(3) mặt trong của đĩa có dạng hình ô van, mặt ngoài có dạng hình tròn và được cố định với thân bơm (8) bằng bu lông, thông thường thân bơm được đúc bằng gang. Lưu lượng của bơm được ổn định bằng cụm van điều tiết (7). Nguyên lý hoạt động của bơm phiến gạt được thể hiện trên hình sau. Khi Rôto (4) mang các phiến gạt (3) quay, các phiến gạt văng ra ngoài nhờ lực ly tâm và tỳ vào bề mặt ô van của vỏ. Sự quay của phiến gạt tạo nên sự thay đổi về thể tích của khoang chứa dầu được tạo nên từ hai phiến gạt, rôto, và bề mặt côn của vỏ. Ban đầu dầu được nạp vào trong khoang lúc này thể tích khoang còn đang lớn, khi thể tích khoang nhỏ đi dầu được ép ra ngoài. Dầu được đưa vào các khoang theo rãnh dài và được ép ra theo lỗ ô van, một phần dầu có áp suất cao được đưa vào phía trong của phiến gạt để ép thêm phiến gạt tỳ vào mặt côn để tăng độ kín của khoang chứa dầu. Phần lớn dầu áp suất cao được đưa tới van điều áp, van điều tiết lưu lượng và lượng dầu chính được đưa vào bộ trợ lực lái. Như vậy trong một vòng quay của rôto mỗi phiến gạt có hai lần nạp và ép. Áp suất của dầu bơm được điều chỉnh bằng vít (6).
Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của bơm thủy lực phiến gạt 1,5-Cửa nạp; 2- Trục roto; 3,7- Cửa xả; 4-Vòng cam; 6-Roto; 8-Phiến gạt.
Trong quá trình hoạt động bơm được dẫn động bằng động cơ do đó lưu lượng của bơm thay đổi theo tốc độ của động cơ. Khi động cơ quay chậm thì lưu lượng dầu nhỏ do đó người lái cần tác động lực lớn hơn, khi động cơ quay nhanh thì lưu lượng dầu lớn hơn gấp nhiều lần do đó người lái cần tác động lực nhỏ hơn. Nói cách khác yêu cầu về lực đánh tay lái thay đổi theo tốc độ của động cơ đây là điều bất lợi về mặt ổn định lái. Vì vậy việc duy trì lưu lượng của bơm không đổi, không phụ thuộc vào tốc độ của động cơ là một yêu cầu cần thiết, do đó trên các loại bơm được lắp thêm van điều tiết lưu lượng. Mặt khác khi xe chạy ở tốc độ cao sức cản lốp xe nhỏ do đó lực xoay các bánh xe dẫn hướng sẽ nhỏ hơn vì vậy lực đánh tay lái cũng nhỏ hơn. Vì vậy một yêu cầu của bộ trợ lực nữa là ít trợ lực hơn ở điều kiện tốc độ cao mà vẫn đạt được lực lái thích hợp. Để đảm bảo được các yêu
39
cầu trên, trên các bộ trợ lực thường được gắn thêm van điều tiết lưu lượng. Sau đây, xin trình bày loại van điều tiết lưu lượng loại nhạy cảm với tốc độ với loại van điều tiết lưu lượng loại này khi tốc độ động cơ tăng lên nhưng lượng dầu được bơm tới cơ cấu lái lại giảm xuống.
Hình 3.9: Sơ đồ cấu tạo van điều tiết lưu lượng loại nhày cảm với tốc độ
1 - Van điều tiết lưu lượng; 2 - Tới cửa hút của bơm; 3 - Từ cửa xả của bơm tới; 4 - Lò xo 1; 5,8,11 -Phớt làm kín; 6 - Tới hộp cơ cấu lái; 7 - Ống điều khiển; 9 - Vân an toàn;
10 - Lò xo 2
Hình 3.10: Hoạt động của van điều tiết ở tốc độ thấp
1 - Van điều tiết lưu lượng; 2 - Tới cửa hút của bơm; 3 - Từ cửa xả của bơm tới; 4 - Tới hộp cơ cấu lái;5 - Ống điều khiển; 6 - Lò xo kéo; 7 - Ống điều khiển; 8 - Lỗ tiết lưu
Ở tốc độ thấp (từ 650 - 1250 v/ph) áp suất xả P1 của bơm tác động lên phía phải của van điều tiết lưu lượng và P2 tác động lên phía trái sau khi đi qua các lỗ tiết lưu. Khi tốc độ động cơ tăng lên thì sự chênh lệch giữa P1 và P2 cũng tăng theo, đến một giá trị nào đó sự chênh lệch này thắng được sức căng của lò xo van điều khiển thì van này sẽ dịch chuyển
40
sang trái mở đường mở đường dầu chảy sang phía cửa hút. Do đó lưu lượng dầu được bơm đến van phân phối sẽ được ổn định theo cách này.
Hình 3.11: Hoạt động của van tiết lưu ở tốc độ cao
1 - Tới cửa hút của bơm; 2 - Từ cửa xả của bơm; 3 - Tới hộ cơ cấu lái; 4 - Ống điều khiển; 5 - Van an toàn; 6 - Lỗ tiết lưu; 7 - Khoảng dịch chuyển của ống điều khiển
Hình 3.12: Hoạt động của van an toàn
Van an toàn được đặt trong van điều khiển lưu lượng, khi áp suất P2 vượt quá mức quy định van an toàn sẽ mở để giảm áp suất P2. Lúc này van điều khiển lưu lượng bị đẩy sang trái và điều chỉnh áp suất tối đa.
41
Hình 3.13: Biểu đồ biểu thị mối quan hệ giữa lưu lượng dầu và tốc độ động cơ
Trong quá trình hoạt động khi ta quay vành tay lái hết cỡ sang phải hay sang trái, lúc này bơm sẽ tạo ra áp suất dầu lớn nhất, phụ tải trên bơm tối đa sẽ làm giảm tốc độ