IV. Cơ cấu lái trục vít – êcu bi – thanh răng
2. Các bộ phận chủ yếu của trợ lực lái
Trợ lực lái trên ơ tơ hiện nay bao gồm cĩ 3 bộ phận chính:
a. Nguồn cung cấp(nguồn năng lượng): là nơi cung cấp năng lượng cho bộ phận chấp hành trọ lực. Theo nguồn cung cấp cĩ thể chia ra:
+ Trợ lực thuỷ lực:trong trợ lực thuỷ lực nguồn cung cấp là bơm thuỷ lực do động cơ dẫn động.
Hầu hết trên các xe ơtơ ngày này đều sử dụng hệ thống lái trợ lực thuỷ lực, trong giới hạn của đề tài cũng chỉ đề cập đến hệ thống lái trợ lực thuỷ lực, vấn đề này sẽ được đề cập cụ thể trong các phần sau.
b. Bộ phận phân phối (vpp): vpp với cơ cấu tự chọn để điều chỉnh năng lượng cung cấp đến cơ cấu thực hiện với lực vịng đặt lên vành tay lái. bộ phận này cĩ nhiều kiểu, trong đĩ cĩ 2 loại thường dung nhiều nhất là:
+ Bộ phận phân phối kiểu van trượt + bộ phận phân phối kiểu van xoay
Ngồi ra cịn cĩ một số loại ít được dùng như: van con trượt kép, van phân phối kiểu cánh…
c. Cơ cấu chấp hành (xi lanh lực): Xi lanh lưc để truyền lực lên dẫn động lái. Đây là bộ phận tiếp nhận và biến năng lượng được cung cấp bằng chất lái. Đây là bộ phận tiếp nhận và biến năng lượng được cung cấp bằng chất lỏng thành cơ năng tác dụng lên truyền động lái.
Các bộ phận trên tạo thành hệ thống truyền động thuỷ lực thể tích, mắc vào hệ thống cơ khí tạo thành hệ thốn lái cĩ trợ lực.
Tuỳ thuộc vào cách sắp xếp các bộ phận trên vào hệ thống lái người ta cĩ các phương án bố trí dưới đây thường hay sử dụng trên các ơ tơ hiện nay.
d. Các phương án bố trí hệ thống trợ lực
Phương án I: Van phân phối, xi lanh lực đặt chung trong cơ cấu lái
Sơ đồ bố trí theo phương án này được trình bày như hình 3.1
Hình 3.1 sơ đồ bố trí theo phương án I
1- địn quay đứng; 2 – thanh kéo dọc; 3 – địn kéo ngang; 4 – van phân phối, xi lanh lực, cơ cấu lái; 5 - cầu dẫn hướng; 6,9,10 – hình thang lái; 7 - trục tay lái; 8 – vành tay lái; 11 – bánh xe dẫn hướng
Phương án bố trí này giống như trên xe zil130. ở đây van phân phối và xi lanh lực được bố trí chung với cơ cấu lái,
Ưu điểm của phương án này là gọn và dễ bố trí trên xe, ngồi ra viêc bố trí các đường ống dẫn dầu là ngắn nhất cho nên tránh được những khả năng phát sinh dao động do sự khơng ổn định động lực học do cường hố gây nên.
Tuy nhiên nhược điểm chính của phương pháp bố trí này là hầu như tồn bộ các chi tiết của của dẫn động lái phải chịu tác dụng của mơ men cản quay vịng tồn bộ của các bánh xe dẫn hướng. điều này làm tăng độ biến dạng đàn hồi của hệ thống lái và hậu quả làm tăng khả năng phát sinh phát sinh dao động của các bánh xe dẫn hướng. sử dụng phương pháp này là khơng cĩ lợi do phải tăng khối lượng các chi tiết dẫn động lái và cơ cấu lái. Ngồi ra việc bố trí chung 3 cụm này là rất khĩ khăn.
Phương án II: Van phân phối và xi lanh lực đặt thành một cụm, riêng biệt với cơ cấu lái
1 – cơ cấu lái; 2 – thanh kéo dọc; 3 – địn quay ngang; 4 - cụm van phân phối,xi lanh lực ; 5 - cầu dẫn hướng; 6,9,10 – các cơ cấu hình thang lái; 7 - trục tay lái; 8 – vành tay lái; 11 – bánh xe dẫn hướng; 12 - trục bánh xe dẫn hướng; 13 – bơm trợ lực
Trong phương án này van phân phối và xi lanh lực được bố trí thành một cụm trên thanh kéo dọc.
Ưu điểm: kiểu bố trí như thế này cho phép ta cĩ thể sử dụng nhiều cơ cấu lái khác nhau. Tuy nhiên khuynh hướng gây nên sự dao động của các bánh xe dẫn hướng sẽ cao hơn so với phương án bố trí cơ cấu lái, van phân phối và xi lanh lực thành một cụm
Nhược điểm:bố trí kiểu này khi tăng tải tức là khi tăng đường kính của xi lanh lực thì khơng đảm bảo lái nhẹ vì khi quay vịng thì những thành phần lực bên tác dụng lên địn quay đứng từ thanh kéo dọc (lực thành phần hướng kính tác dụng lên vỏ van phân phối) sẽ cản trở chuyển dịch của con trượt và chính nguyên nhân này làm tăng đáng kể lực lên vành tay lái.
Phương án III: Van phân phối và cơ cấu lái đặt thành một cụm, xi lanh lực đặt riêng rẽ.
Sơ đồ bố trí kiểu này được trình bày trên hình 3.3
Hình 3.3 sơ đồ cách bố trí theo kiểu thứ III
1 – van phân phối; 2 – thanh kéo dọc; 3 – địn kéo ngang; 4 – cơ cấu lái; 5 - cầu dẫn hướng; 6, 9, 10 – cơ cấu hình thang lái; 7 - trục lái; 8 – vành tay lái; 11 – bánh xe dẫn hướng; 12 - trục quay bánh xe; 13 – cơ cấu chấp hành
Ở phương án này, van phân phối được bố trí chung trong cơ cấu lái, cịn xi lanh lực đặt riêng biệt.
Ưu điểm của phương án này là cơ cấu lái và dẫn động lái được giảm tải khỏi tác dụng của cường hố, và xi lanh lực cĩ thể tự do bố trí tại các vị trí khác nhau. Người ta bố trí xi lanh lực trên hình thang lái để giảm tải lực tác động lên cơ cấu lái và dẫn động lái. Do đĩ làm giảm kích thước của dẫn động lái và làm giảm dao động ở hệ thống dẫn động do lực cản quay vịng do lực cản quay vịng của các bánh xe sinh ra.
Nhược điểm của phương án bố trí này là địi hỏi đường ống phải dài.
Phương án IV: Van phân phối , xi lanh lực và cơ cấu lái đặt riêng biệt với nhau
sở đồ bố trí được thể hiện trên hình 3.4
Hình 3.4 sơ đồ bố trí hệ thống trợ lực theo phương án IV
1 – van phân phối; 2 – thanh kéo dọc; 3 – địn kéo ngang; 4 – cơ cấu lái; 5 - cầu dẫn hướng; 6,9,10 – cơ cấu hình thang lái; 7 - trục lái; 8 – vành tay lái; 11 – bánh xe dẫn hướng; 12 - trục bánh xe dẫn hướng; 13 – xi lanh lực; 14 - bộ phận phân phối
Trong trường hợp này van phân phối, cơ cấu lái và xi lanh lực đặt riêng biệt với nhau. Sơ đồ bố trí được thể hiện ở hình vẽ bên dưới, ở phương án bố trí này thì nĩ cũng cĩ đầy đủ các ưu điểm như các phương án bố trí trên như là cơ cấu lái và dẫn động lái được giảm tải khỏi lực tác động của cường hố, cơng suất của cường lực hố dễ dàng thay đổi do xi lanh lực cĩ thể tự do thay đổi cách bố trí các vị trí. Tuy nhiên cách bố trí này cũng khơng làm giảm nhẹ lực của người lái tác động lên vành tay lái, đồng thời lực tác động lên van phân phối cũng thay đổi do cánh tay địn thay đổi
II. NGUỒN CUNG CẤP (BƠM)
Như đã nĩi ở trên, là nơi cung cấp năng lượng chất lỏng cho bộ phận chấp hành trợ lực. Trên các xe ơtơ thường sử dụng các loại bơm trợ lực sau:
+ Bơm cánh gạt + Bơm con lăn + Bơm bánh răng
1. Bơm cánh gạt
bơm cánh gạt hiện nay vấn được sử dụng rất rộng rãi trên các loại ơ tơ tải và ơ tơ du lịch như Z130, Z131, KAMAX…
1.1 Cấu tạo và nguyên lý của bơm cánh gạt cơ bản
Bơm cánh gạt là một trong các loại máy thuỷ lực rơto cĩ kết cấu đơn giản nhất. Bơm gồm cĩ một vỏ hình trụ 1 trong đĩ cĩ rơto 2. Tâm của vỏ và rơto lệch nhau một khoảng e. Trên rơto cĩ các phiển gạt 3. Khi rơto quay, các phiến gạt trượt trong các rãnh của rơto và gạt chất lỏng, nên gọi là bơm cánh gạt. Phần khơng gian giới hạn bởi vỏ bơm và rơto gọi là thể tích làm việc.
Hình 3.5 bơm cánh gạt loại đơn giản nhất
1 - Vo# bơm; 2 - . Rotor;3 - . Cánh ga#t; 4 - Lo# xo.
Hình 3.5 trên là sơ đồ kết cấu bơm cánh gạt loại đơn giản nhất (cĩ hai cánh gạt). Nhờ lực đẩy của lị xo , các cánh gạt luơn tì sát vào thành vỏ bơm. Giả sử khi bơm làm việc, rơto quay theo chiều mũi tên. Thể tích chứa chất lỏng từ A đến mặt cắt C-C tăng, áp suất chất lỏng bị giảm, do đĩ chất lỏng bị hút vào bơm. Khi cánh gạt di chuyển từ mặt cắt C-C đến B nĩ làm giảm thể tích chứa chất lỏng, do đĩ làm tăng áp suất và đẩy chất lỏng vào ống đẩy.
Để chất lỏng khơng chảy ngược từ khoang đẩy về khoang hút và khơng bị “chẹt” trong các thể tích làm việc thì vị trí của cánh gạt và rơto phải bố trí sao cho
khi cánh gạt này bắt đầu gạt chất lỏng (ở vị trí I) thì cánh gạt kia cũng vừa thơi khơng gạt chất lỏng nữa (ở vị trí II).
Như vậy ta thấy lưu lượng của bơm khơng đều nhở nhất khi cánh gạt bắt đầu vào vị trí làm việc I, lớn nhất ở vị trí C-C.
Để cho bơm cĩ lưu lượng đều (ít bị dao động) hơn, người ta tăng số cánh gạt cĩ trong bơm. Thường thì số lượng cánh gạt lắp vào bơm từ 8 đến 12.( trên xe Kamax là 8 cánh, xe Z130 là 10 cánh và một số xe khác..)
Dưới đây chung ta sẽ tìm hiểu kết cấu và nguyên lý hoạt động của một số loại bơm trợ lực kiểu cánh gạt.
1.2 Bơm trợ lực kiểu cánh gạt xe tải Kar250:
Sơ đồ bơm cánh gạt xe tải Kraz- 250 được thể hiện trên hình 3.6
Hình 3.6 bơm trợ lực kiểu cánh gạt trên xe Kaz - 250
1 – đai; 2 – rãnh puly; 3 – lơng đền; 4 – đai ốc bắt puly; 5 – puly dẫn động; 6 - phớt cao su; 7 – vịng đệm ngồi;8 – lị xo; 9 – vịng đệm trong; 10 - chốt; 11 – rãnh trong; 12 – đĩa phân phối;13 - phớt chắn dầu ; 14 - chốt định vị ; 15 – đĩa tỳ ; 16 – van lưu lượng; 17 - vỏ bơm sau ; 18 – lị xo van lưu lượng ; 19 – bi van an tồn ; 20 – lị xo van an tồn; 21 – lơng đền ; 22 – bulơng; 23 – ren;24 - nắp đậy trên bơm ; 25 – lơng đền nắp đậy trên ; 26 – bulơng ; 27 - ống lắp trục bơm ; 28 – rơto ; 29 – cánh gạt ; 30 - trục bơm ; 31 – then bán nghuyệt ; 32 – vịng đệm ; 33 - phớt chắn dầu ; 34,36 – vịng đệm cao su ; 35 - ổ bi đỡ
trong dầu trợ lực và đầu khơng tiếp xúc với dầu trợ lực. đầu khơng tiếp xúc với dầu trợ lực được đỡ bởi ổ bi đỡ 35, ổ đỡ này được lắp chặt với trục và được cố định chuyển động tịnh tiến so với vỏ bơm bằng phe chặn 36. Đầu trục nằm trong dầu được gối lên ổ bi kim, trên phần thân cĩ then hoa để lắp rơto, trên mặt rơto cĩ xẻ mười rãnh tương ứng là mười phiến gạt được đặt vào các rãnh này.
Phần chuyển động và phần cố định được lắp với nhau như sau: Phiến gạt sau khi lắp vào rơto thì được luồn cả vào đĩa phân phối 12, đĩa này cĩ dạng trụ rỗng bên trong dạng ơ van và phần trụ bên ngồi cĩ dạng trịn cĩ rãnh là nữa hình trụ được cố định với vỏ thơng qua bulơng 23. Phần trụ bên trong dạng ơ van được các phiến gạt tì lên. Đĩa phân phối này được ép hai mặt bởi các đĩa tì bên trong 15 và đĩa tỳ bên ngồi 13. Ở đây đĩa phân phối, đĩa tỳ ngồi, đĩa tỳ trong được cố định với nhau bằng chốt định vị 14 và được cố định với vỏ bơm. Sau đĩ nắp vỏ được lắp với vỏ thơng qua 4 bu lơng. ở các mặt lắp ghép đều cĩ vịng đệm để chắn dầu. Trên vỏ cĩ bố trí van phụ và van lưu lượng. Cửa nạp nằm bên cạnh van lưu lượng cịn cửa hồi dầu nằm cạnh van phụ. Bơm được lắp lên thân xe bởi hai bulơng.
b. Nguyên lý hoạt động:
Đai dẫn động làm quay puly và làm rơto quay. Khi rơto quay, dầu từ thùng chứa nhờ ống dẫn dầu qua cửa nạp vào buồng bơm được tạo nên bởi cánh gạt, mặt ngồi rơto và mặt trong thân bơm. mặt trong thân bơm cĩ dạng ơ van, ở đây cánh gạt cĩ thể trượt trong rãnh rơto. Trong quá trình hoạt động sẽ cĩ dầu áp suất cao đi vào rãnh rơto, áp suất này cùng với lực ly tâm sẽ đẩy cánh gạt đi ra vì thế khi rơto quay sẽ làm các cánh gạt tì sát vào bề mặt ơ van bằng cách trượt trong rãnh rơto. Quá trình rơto quay sẽ làm thay đổi thể tích dầu trong các buồng giữa các cánh gạt, do đĩ làm thay đổi áp suất thuỷ lực trong các buồng. ở đây chất lỏng nạp ở thể tích lớn và bị đẩy ra ở thể tích nhỏ nên được tăng áp. mỗi cánh thực hiện hai lần nạp/xả trong một vịng quay của rơto. với cách này sẽ làm giảm dao động áp suất ở cửa ra.
Cánh gạt được đẩy tỳ sát mặt ơvan. Thể tích các buồng giữa cánh gạt tăng nên chất lỏng được hút vào. Chất lỏng được hút vào sẽ di chuyển theo chiều quay các cánh gạt. Cánh gạt di chuyển trong rãnh làm giảm thể tích các buồng tạo áp suất cao cho chất lỏng và được đẩy ra ngồi cửa thốt.
Hình 3.7 các giai đoạn hợt động của bơm
Nhận xét: để tăng lưu lượng chất lỏng tới bơm thì nguời ta bố trí số nhiều cánh gạt (thường 10 cánh), đồng thời bố trí hái cửa hút và hai cửa đẩy nhằm làm cho lưu lượng chất lỏng qua bơm được đều hơn. Vì sau một vịng quay chất lỏng sẽ được hút vào bơm hai lần và đẩy ra khỏi bơm hai lần.
Van lưu lượng và van giảm áp:
Ở đây van lưu lượng và van giảm áp nằm trong bơm thực hiện việc điều khiển lưu lượng và áp suất chất lỏng sao cho áp suất và lưu lượng đến van phân phối trợ lực khơng đổi khi tốc độ động cơ thay đổi.
Dưới đây là sơ đồ biểu diển đặc tính lưu lượng Q phụ thuộc vào vận tốc gĩc ω
Hình 3.8. Sơ đồ đặc tính lưu lượng phụ thuộc vào vận tốc gĩc.
Đối với các xe tải thì người ta chủ yếu bố trí van lưu lượng và van giảm áp là chủ yếu. cịn đối với các loại xe du lịch thì ngồi bố trí van lưu lượng và van giảm áp thì người ta cịn bố trí thêm van phụ tại cửa ra của bơm. Chúng ta sẽ nghiên cứu hoạt động của bơm khi cĩ thêm van phụ.
Đặc điểm các trạng thái hoạt động của bơm dùng trên các một số xe du lịch khi cĩ thêm van phụ:
Hình 3.10. Giai đoạn 1
01-Đến van phân phối; 02-Lỗ cĩ tiết diện cố định; 03-Đỉnh van phụ; 04-Van phụ; 05-Lị xo; 06- Van cĩ tiết diện thay đổi (trạng thái mở hồn tồn); 07-Cửa ra; 08-Bơm; 09-Van lưu lượng; 10- Đường dầu hồi ( trạng thái đĩng); 11-Đường dầu A.
Chất lỏng được đưa ra từ cửa thốt sẽ cĩ tác dụng lên đỉnh van phụ, theo xu hướng đẩy van phụ xuống đĩng bớt lỗ cĩ tiết diện thay đổi, tuy nhiên ở thời điểm này điều này chưa xảy ra được vì lực tác dụng lên đỉnh van phụ quá nhỏ và khơng thể vượt qua lực lị xo và lỗ cĩ tiết diện thay đổi vẫn mở hồn tồn khi động cơ ở tốc độ thấp.
Trạng thái 2: Sau khi đi qua lỗ cố định và lỗ cĩ tiết diện thay đổi áp suất chất lỏng sẽ thay đổi so với trước đĩ, sự thay đổi này tương ứng với tốc độ động cơ. Mặt khác sau khi qua lỗ cố định sẽ cĩ một lượng chất lỏng đi đến đáy van lưu lượng, do đĩ sẽ tạo ra sự chênh lệch áp suất ở đỉnh và đáy van lưu lượng.