CHỌN PHƯƠNG ÁN BỐ TRÍ TRỢ LỰC LÁI

Đối với các dòng xe đang thiết kế là loại xe tải trung bình vận tải và hàng hóa trong điều kiện đường ngắn. Tải trọng tác động lên các bánh xe dẫn hướng lớn do vậy lực lái lớn nhất mà người lái cần phải đặt lên vành tay lái để làm giảm bớt sức lao động cho người lái xe, đồng thời làm tăng sự ổn định cho xe khi quay vòng.

5.2.1. Một vài phương án bố trí trợ lực lái

Trên xe việc bố trí trợ lực lái dạng thủy lực có kết cấu gọn. Hệ thống trợ lực lái là hệ thống có thể tự điều khiển, bởi vậy nó gồm: nguồn năng lượng, van phân phối và xilanh lực. Tùy vào việc sắp xếp các bộ phận trên vào hệ thống lái ta có thể chia ra được các phương án như sau:

• Van phân phối, xilanh lực đặt chung với cơ cấu lái.

• Van phân phối, xilanh lực đặt thành một cụm và tách biệt với cơ cấu lái.

• Van phân phối, cơ cấu lái đặt thành một cụm và tách biệt với xilanh lực.

• Van phân phối, xilanh lực và cơ cấu lái đặt riệng biệt. a) Van phân phối, xilanh lực đặt chung với cơ cấu lái

Phương pháp bố trí này giống với xe ZIN – 130, van phân phối, xilanh lực được bố trí ở chung với cơ cấu lái. Ưu điểm của phương pháp này là gọn và dễ dàng bố trí trên xe, ngoài ra các đường ống là ngắn nhất cho nên tránh được những khả năng phát sinh dao động do sự không ổn định động lực học do cường hóa gây ra.

Tuy vậy nhược điểm chính của phương pháp này là hầu như tất cả các chi tiết của dẫn động hệ thống lái đều phải chịu tác động của mô men cản quay vòng hoàn toàn của các bánh xe dẫn hướng. Việc này làm tăng độ biến dạng đàn hồi của hệ thống lái và hậu quả làm tăng khả năng phát sinh dao động của các bánh xe dẫn hướng. Sử dụng phương pháp này là hoàn toàn không có lợi do phải tăng khối lượng ở các chi tiết dẫn động lái, cơ cấu lái.

Hình 5. 1: Bộ cường hóa lái bố trí cơ cấu lái van phân phối và xilanh lực thành một cụm

1.Đòn quay đứng 2.Thanh kéo dọc 3.Đòn quay ngang

4.Cơ cấu xilanh lực, van phân phối và 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

b) Van phân phối, xilanh lực đặt thành một cụm và tách biệt với cơ cấu lái

Ở phương án này van phân phối và xilanh lực được bố trí chung thành một cụm trên thanh kéo dọc. Kiểu bố trí này cho phép ta có thể sử dụng được nhiều cơ cấu lái khác nhau. Tuy vậy khuynh hướng gây ra sự dao động của bánh xe dẫn hướng sẽ cao hơn so với kiểu bố trí cơ cấu lái, van phân phối và xilanh lực thành một cụm.

Bố trí như kiểu này khi tăng tải nghĩa là khi tăng đường kính của xilanh lực thì không đảm bảo được lái nhẹ bởi vì khi quay vòng những lực thành phần bên tác động lên đòn quay đứng từ thanh kéo dọc (lực thành phần hướng kính tác động lên vỏ van phân phối) sẽ gây cản trở chuyển dịch của con trượt và chính lí do này làm tăng đáng kể lực ở vành tay lái.

Hình 5. 2: Bộ cường hóa bố trí cơ cấu lái riêng xilanh lực và van phân phối thành một cụm riêng

1. Cơ cấu lái 7. Trục lái 2. Thanh kéo dọc 8. Vành tay lái

3. Đòn quay ngang 11. Bánh xe dẫn hướng 4. Cơ cấu xilanh lực và van phân phối 12. Trục quay

5. Cầu trước của bánh xe dẫn hướng 6,9,10. Cơ cấu hình thang lái

c) Van phân phối, cơ cấu lái đặt thành một cụm và tách biệt với xilanh lực

Hình 5. 3: Bộ cường hóa bố trí van phân phối của cơ cấu lái và xilanh lực đặt riêng

1.Van phân phối. 7.Trục lái. 2.Thanh kéo dọc. 8.Vành tay lái.

3.Đòn quay ngang. 11.Bánh xe dẫn hướng. 4.Cơ cấu lái. 12.Trục quay.

5.Cầu trước của bánh xe dẫn hướng. 13.Xilanh lực. 6, 9, 10. Cơ cấu hình thang lái.

Trong phương án này, van phân phối được bố trí ở chung trong cơ cấu lái, còn xilanh lực thì nằm riêng rẽ. Kiểu bố trí này đòi hỏi các đường ống dẫn phải đủ dài nhưng ưu điểm chính của nó là cơ cấu lái và dẫn động lái sẽ được giảm tải khỏi tác động của cường hóa lái, công suất của cường hóa lái có thể dễ dàng thay đổi do xilanh lực có thể thay đổi được tự do cách bố trí.

Ở trường hợp này ta bố trí xilanh lực trên hình thang lái để giảm thiểu lực tác dụng lên cơ cấu lái và lên dẫn động lái nên nó giảm kích thước của dẫn động lái và làm cho giảm dao động ở hệ thống dẫn động do lực cản quay vòng sinh ra.

d) Van phân phối, xilanh lực và cơ cấu lái đặt riêng biệt

Hình 5. 4: Bộ cường hóa bố trí van phân phối và cơ cấu lái đặt thành một cụm, xilanh lực nằm ở phía trên hình thang lái

1.Cơ cấu lái 7. Trục lái 2.Thanh kéo dọc 8. Vành tay lái

3.Đòn quay ngang 11. Bánh xe dẫn hướng 4.Van phân phối 12. Trục quay

5.Cầu trước của bánh xe dẫn hướng 13. Xilanh lực 6, 9, 10. Cơ cấu hình thang lái

Ở phương án này ta bày trí các cụm cơ cấu lái, van phân phối và xilanh lực nằm hoàn toàn riêng biệt với nhau. Nó cũng sẽ có đầy đủ những ưu điểm của các phương án bố trí trước như cơ cấu lái và dẫn động lái sẽ được giảm tải khỏi lực tác dụng của cường hóa, công suất của cường hóa sẽ dễ dàng thay đổi do xilanh lực có thể thay đổi tự do cách bố trí. Tuy vậy bố trí như phương án này tay lái vẫn sẽ không nhẹ đi và lực tác động lên trên van phân phối thay đổi do cánh tay đòn thay đổi.

Tại vì kết cấu các cụm chi tiết của xe nhỏ, để có thể phù hợp với hình dáng kích thước của xe ta cần phải lựa chọn phương án thiết kế cụm cường hóa đảm bảo các yêu cầu như sau:

• Sẽ đảm bảo được tính năng cường hóa, nhưng vẫn phải tạo được “cảm giác” lực cản của mặt đường cho tài xế.

• Giá thành sản xuất, thay thế phải đảm bảo được tính kinh tế.

• Dễ dàng tháo lắp, bảo dưỡng và sửa chữa khi bị hư hỏng.

Qua đánh giá và phân tích các ưu, nhược điểm của các phương án bày trí trợ lực. Ta thấy phương án (a) là phương án thích hợp nhất để tính toán và thiết kế.

5.2.2. Lựa chọn van phân phối

Van phân phối thường có hai dạng được sử dụng phổ biến là loại van trượt và loại van xoay. Loại van trượt có kết cấu rất phức tạp. Với cơ cấu lái liên hợp của xe thiết kế, loại van xoay có kết cấu gọn, không có độ dịch chuyển dọc.

5.2.3. Nguyên lý hoạt động của van phân phối kiểu van xoay

Van ống bên ngoài (van xoay): Dng = 40 (mm), dtr = 26 (mm).

Có đường dầu đến d = 7 (mm), được khoan thẳng, hai lỗ cường hóa được khoan chéo góc d = 4 (mm). Đục mỗi mặt 4 lỗ cách đều nhau, có tất cả 12 lỗ trên bề mặt van. Mặt ngoài có khoét rãnh vuông và mặt bên trong có khoét rãnh elip. Van được lắp cứng với trục vít bằng một chốt có đường kính 3 (mm).

Van ống trong (trục van phân phối): Dng = 26 (mm), dtr = 13 (mm).

Van này chỉ có hai loại lỗ đó là: một lỗ trung gian (khi xe đi thẳng) và một lỗ nằm trên cao để hồi dầu về. Van làm rỗng bên trong. Thanh xoắn nằm cố định trong van. Cả van ống trong và thanh xoắn được lắp với trục vít bằng một chốt đường kính 4 (mm), đầu còn lại của thanh xoắn sẽ lắp chặt với van ống trong bằng chốt 4 (mm). Mặt bên ngoài van ống trong có rãnh elip để dẫn dầu đi cường hóa.

Nguyên lý:

Khi xe đi thẳng: lúc này ba lỗ trung gian trùng nhau. Dầu di chuyển từ bơm qua lỗ trung gian vào van ống trong rồi qua cửa quay về bình chứa. Buồng trái và buồng phải xilanh bị nén nhẹ nhưng không có sự chênh lệch áp suất giữa chúng nên sẽ không có sự trợ lực lái.

Hình 5. 5: Khi xe đi thẳng

Khi xe rẽ về một bên: van ống bên trong có phần vỏ nối với các đăng của vành lái. Khi mà các đăng xoay, van ống trong cũng xoay theo, thanh xoắn bị xoắn ở một góc làm cho van ống bên trong và van ống bên ngoài lệch nhau một góc nhỏ (khoảng gần 30) chỉ đủ cho đường dầu đi thẳng của van ống ngoài có thể di chuyển đến bên đường dầu cần cường hóa, đồng thời hướng mặt bên không cần cường hóa có thể đi về lại bình chứa.

Hình 5. 7: Khi xe quay sang trái

Khi tài xế đánh lái mà giữ nguyên vành lái, khi đó thanh xoắn vẫn đang bị xoắn, dầu trợ lực tiếp tục trợ lực cho một buồng (trái hoặc phải) của xilanh lực tùy theo đang quay vòng theo phía nào. Vì giữ nguyên vành lái nên thanh răng không di chuyển. Do vậy trục vít bị quay theo chiều ngược lại, tức là thanh xoắn sẽ không bị xoắn nữa, các van trở lại vị trí trung gian như xe đi thẳng. Khi người lái tiếp tục đánh lái, quá trình sẽ lại diễn ra như khi xe quay vòng về một phía đã trình bày ở bên trên.

5.3. TÍNH TOÁN TRỢ LỰC LÁI

5.3.1. Lực lái lớn nhất đặc trên vành tay lái

Khi chưa có cường hóa lái, muốn quay vòng xe thì người lái cần phải tác động một lực rất lớn lên vành tay lái để có thể thắng được lực cản quay vòng. Nếu sử dụng lực này trong một thời gian dài thì người lái sẽ rất mệt và không an toàn trong khi di chuyển. Do đó ta phải xác định được lực lớn nhất mà tài xế phải tác dụng lên vành tay lái. Theo như ở trên ta đã xác định được lực cực đại tác động lên vành tay lái dựa vào lực cản của mặt đường.

PLmax = 355 (N)

5.3.2. Xây dựng đặc tính trợ lực lái

Theo như giáo trình thiết kế tính toán ô tô thì đặc tính của cường hóa chỉ rõ rằng sự đặc trưng của quá trình làm việc của bộ cường hóa hệ thống lái. Nó biểu thị cho mối quan hệ giữa lực mà người lái đặt lên vành tay lái PL và mô men cản quay vòng của các bánh xe dẫn hướng Mc.

PL = 𝑀𝑐

𝑅.𝑖𝑤.𝑖𝑑.𝜂𝑡ℎ (N)

Qua đó ta có thể thấy khi không có trợ lực lái thì lực đặt lên vành tay lái chỉ là phụ thuộc vào mô men cản quay vòng của các bánh xe khi dẫn hướng (vì R, 𝑖𝑤, id, ηth là những hằng số). Do vậy đường đặc tính là các đường bậc nhất đi qua gốc tọa độ. Theo như tính toán ở phần trước, khi quay vòng xe tại chỗ mô men cản quay vòng là lớn nhất, tọa độ xác định điểm này trên đường đặc tính là B [355; 1020]. Vì vậy đường đặc tính được xác định là PL = f(Mc) sẽ đi qua gốc tọa độ và di chuyển qua điểm B [355;1020]

Khi hệ thống lái được lắp trợ lực lái đường đặc tính của nó cũng biểu thị mối quan hệ giữa lực tác động lên vành tay lái và mô men cản quay vòng của các bánh xe dẫn hướng Mc. Đây cũng là mối quan hệ bậc nhất.

Khi con trượt của van phân phối ở chỗ trung gian thì lực cường hóa quy dẫn lên vành tay lái Pc = 0 nên mô men cản quay vòng Mc = 0.

Do bộ trợ lực lái được thiết kế ở van phân phối có lò xo định tâm. Khi những va chạm ở mặt đường truyền ngược lên vành tay lái nếu nằm trong giới hạn lực nén sơ bộ ban đầu của lò xo thì lực đó sẽ được truyền lên vành tay lái. Nếu như lực ngược đó mà vượt quá giới hạn đó thì lò xo sẽ được tiếp tục nén tiếp dẫn đến con trượt van phân phối bị lệch về một phía và bộ cường hóa bắt đầu vào làm việc. Cụ thể là, để bộ cường hóa làm việc được thì lực đặt lên vành tay lái phải lớn hơn 25 (N). Ở giai đoạn này đặc tính biểu thị sẽ trùng với đặc tính chưa có bộ cường hóa.

Tại điểm A [25: 71,8] thì bộ cường hóa sẽ bắt đầu làm việc. Khi mà lực đặt lên vành tay lái lớn hơn 25 (N) đường đặc tính đặc trưng cho hoạt

động của cường hóa ở giai đoạn này sẽ là đường bậc nhất nhưng có tốc độ thấp hơn so với đường đặc tính khi chưa có cường hóa (độ dốc này cần thiết phải có để có thể đảm bảo cho người lái có cảm giác sức cản của mặt đường tác dụng lên vành tay lái). Khi mô men cản quay vòng lớn hơn Mc = 1020 (Nm) thì hệ thống lái hoạt động như hệ thống lái cơ khí ban đầu (cường hóa đã làm việc hết khả năng). Cụ thể là tài xế muốn quay vòng xe thì cần phải tác động lên vành tay lái một lực PL> Pc.

Đồ thị các đường đặc tính khi chưa có cường hóa lái PL = f(Mc) và được lắp bộ cường hóa Pc = f(Mc) được thể hiện ở hình phía bên dưới.

Ta có thể thấy rằng:

• Đặc tính khi chưa cường hóa là đường bậc nhất, đoạn OB.

• Đặc tính khi có cường hóa là đường bậc nhất gãy khúc và thấp hơn đường đặc tính khi chưa có cường hóa.

• Đoạn OA: PL = Pc = f(Mc). Lực do người lái hoàn toàn đảm nhận.

• Đoạn AC: Pc = f(Mc). Biểu thị lực mà tài xế cảm nhận về chất lượng của mặt đường. Điểm C [150;1020], chọn Pc = 150 (N).

• Từ đoạn C trở đi: Pc = f(Mc) song song với đường PL = f(Mc).

Hiệu số các tọa độ của hai đường Pc và PL chính là lực tạo nên bởi bộ cường hóa. Lực này phải phụ thuộc vào áp suất môi trường làm việc và đường kính của xilanh.

Lực cường hóa cực đại quy dẫn về vành tay lái:

PH = PLmax – Pc = 355 – 150 = 205 (N)

Nếu như chọn Pc lớn thì quay riêng các bánh xe dẫn hướng tại chỗ sẽ nặng hơn, còn nếu chọn Pc quá bé thì tài xế sẽ không đủ cảm giác về chất lượng mặt đường.

5.3.3. Xác định lực và tính toán

Đối ới xe tải để giảm được cường độ hoạt động của tài xế thì lực lái lớn nhất mà tài xế cần phải sinh ra là 150 (N). Trong khi đó nếu như không có cường hóa thì lực lớn nhất mà tài xế phải sinh ra là 355 (N) như đã tính ở bên trên. Khi quay vòng tại chỗ mô men cản quay vòng sẽ là lớn nhất.

Mcmax = 1020 (Nm) Lực thực tế mà xilanh lực cần phải sinh ra là:

Ta có lực cường hóa cực đại quy dẫn về vành tay lái đó là: PH = 205 (N)

Mô men cản quay vòng lớn nhất của xe sinh ra trên trụ quay đứng đó là: Mc = 1020 (Nm)

Khi đó xilanh lực phải tạo nên mô men có độ lớn bằng: Mch = k.Mc

k: Là phần trăm lực mà bộ cường hóa cần sinh ra trên vành tay lái.

k = 𝑃𝐿𝑚𝑎𝑥− 𝑃𝑐

𝑃𝐿𝑚𝑎𝑥 . 100% =

355−150

355 . 100% = 57,7 %

Trong đó:

PLmax: Là lực cực đại trên vành tay lái mà tài xế phải sinh ra khi quay vòng xe tại chỗ khi chưa có trợ lực lái PLmax.

Pc: Là lực cực đại trên vành tay lái mà tài xế lái phải sinh ra khi có bộ cường hóa hoạt động Pc = 150 (N).

Lực mà xilanh cần phải sinh ra là: Pxl = 𝑀𝑐ℎ

𝑒 =

57,7.1020

100.0,13 = 4527 (N)

e: Là khoảng cách từ đòn kéo ngang cho tới cầu dẫn hướng e = 130 (mm)

5.3.4. Tính toán xilanh lực

Kích thước xilanh lực cần phải đủ lớn để có thể đảm bảo sinh ra được lực cần thiết trong khi áp suất chất lỏng trong hệ thống trợ lực lái là có giới hạn. Nếu kích thước nhỏ thì áp suất dầu trợ lực cần phải lớn và ngược lại. Áp suất dầu là do khi bơm dầu sinh ra, nó không thể nào quá lớn được.

a) Xác định đường kính trong xilanh lực và đường kính cần piston

Đường kính trong xilanh lực được tính theo công thức như bên dưới:

PHÂN TÍCH VÀ CHỌN HƯỚNG TRỢ LỰC LÁI

TÍNH BỀN BỈ CỦA HỆ THỐNG LÁI