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:

2 0 4. . xl x P D d P  = + Trong đó:

Dx: Là đường kính trong của xilanh lực

P0: Là áp suất cực đại trong của hệ thống cường hóa P0 = 6 (MPa) d: Là đường kính cần đẩy của piston, chọn d = 22 (mm)

Pxl: Là lực mà xilanh cần phải sinh ra Pxl = 4527 (N) Cho nên có:

Dx = √4.4527

𝜋.6 + 222 = 77 (mm)

Chọn Dx = 78 (mm).

b) Chọn đường kính bên ngoài và kiểm bền xilanh lực

Lấy chiều dày của thành xilanh là 8 (mm) thì đường kính bên ngoài của xilanh lực sẽ là:

Dn = 78 + 2.8 = 94 (mm) Ứng suất tác dụng lên thành xilanh là:

𝜎 = 𝐷𝑛2+𝐷𝑥2

𝐷𝑛2−𝐷𝑥2 .Po + Po =

942+782

942−782 .6 + 6 = 38,5 (N/mm

2) bằng 38,5 (MPa)

Vật liệu làm xilanh chính là thép 40XH:

[𝜎𝑐ℎ] = 80 (MPa) [𝜎] = 57,1 (MPa) Vì vậy:    xilanh lực đã thỏa mãn điều kiện bền. c) Xác định hành trình và thể tích hoạt động của xilanh lực

Hình 5. 8: Sơ đồ hành trình dịch ngang của thanh kéo khi xe quay vòng lớn nhất

Như ta đã chọn thì góc quay của bánh xe khi hết lái sẽ là 370 so với vị trí ở trung gian. Hình minh họa bên trên thể hiện tay lái ở vị trí trung gian được vẻ bằng nét liền, tay lái ở vị trí tận cùng bên trái vẻ bằng nét đứt.

Góc quay toàn bộ của đòn quay đứng đó là: 𝜑 = 𝑙𝑛

𝑙𝑑𝑑 .37

0 = 370

Góc quay lớn nhất ở bánh răng rẻ quạt từ vị trí trung gian bằng góc quay lớn nhất của đòn quay đứng, do vậy góc đánh lái lớn nhất của vô lăng từ phía trái sang phải sẽ là:

αrq = 370

Hành trình SC của piston là chiều dài cung tròn của cung răng ứng với góc quay lớn nhất αrq. SC =2. 𝛼𝑟𝑞.𝜋 180 .𝑑𝑤2 2 = 2. 370.𝜋 180 .72 2 = 46 (mm)

Vậy cho nên thể tích làm việc của xilanh lực là:

Vlv = 𝜋.𝐷𝑥2

4 .h (mm

Trong đó:

Dx: Là đường kính trong của xilanh lực Dx = 78 (mm) h: Là hành trình làm việc của piston.

Như vậy nên ta có: Vlv = 𝜋.78

4 . 46 = 219693(mm 3)

d) Xác định chỉ số hiệu quả tác động của cường hóa

Theo như giáo trình Tính toán và thiết kế tập 2 – 1971 thì chỉ số hiệu dụng của cường hóa sẽ được xác định qua hệ số k:

k = PLmax Pc =

355

150 = 2,36

Theo quy phạm thì hệ số k nằm trong phạm vi được cho phép [k] = 2 ÷ 6 ở đây k = 2,36 nằm ở khoảng cho phép. Vì vậy các thông số của bộ cường hóa ta đang tính toán là thỏa mãn điều kiện này.

5.3.5. Tính chọn bơm của trợ lực

Với bơm cung cấp dầu cho trợ lực thì đòi hỏi phải cung cấp đủ dầu cho trợ lực lái làm việc. Lưu lượng của bơm được xác định từ những điều kiện là làm thế nào để xilanh lực của trợ lực phải kịp làm quay các bánh xe dẫn hướng nhanh hơn điều mà tài xế có thể làm được. Nếu như không đảm bảo được điều kiện này thì ứng với trường hợp quay vòng nhanh thì tài xế sẽ phải tiêu hao một lực lớn không những để thắng được lực cản quay vòng ở các bánh xe dẫn hướng mà còn để đẩy dầu chuyển từ khoang bên này sang khoang bên kia của xilanh lực vì bơm không đủ lưu lượng. a) Tính lưu lượng của bơm

Lưu lượng của bơm được tính theo thời gian quay vòng và thể tích làm việc của xilanh lực: lv V Q t = Trong đó:

Q: Là lưu lượng của bơm

Vlv: Là thể tích làm việc của xilanh Vlv = 219693 (mm3) t: Là thời gian quay vòng của xe t= 2,81 (s).

Ta có:

Q = 219693

2,81 = 78182 (mm 3/s)

Thực tế thì lưu lượng của bơm còn phải lớn hơn như vậy để bù vào sự rò rỉ dầu ở van phân phối. Lưu lượng rò rỉ là ∆Q:

∆Q = (0,05 ÷ 0,1) Q ta chọn ∆Q = 0.08Q Nghĩa là:

Qtt = Q + ∆Q = 1,08Q = 1,08.78182 = 84436 (mm3/s)

Năng suất tính toán của bơm ở đây phải đạt được ở số vòng quay của động cơ cao hơn số vòng quay không tải là 25% và áp suất đạt được là 0,5Pmax.

b) Lựa chọn bơm cường hóa

Bơm cường hóa là cum phức tạp và chịu tải lớn của hệ thống cường hóa thủy lực. Điều kiện để hoạt động của bơm gây nên bởi chế độ tải trọng thay đổi lớn, ứng suất nhiệt độ cao và sự ảnh hưởng của những yếu tố môi trường xung quanh.

Bơm được sử dụng cho trợ lực lái có nhiều loại như là bơm piston, bơm trục vít, bơm bánh răng và bơm cánh gạt. Hiện nay trên các xe hiện đại người ta sử dụng chủ yếu là loại bơm bánh răng và bơm cánh gạt.

Qua phân tích các yêu cầu và điều kiện làm việc của bơm cường hóa ta chọn loại bơm cánh gạt tác dụng kép vì loại bơm này có kết cấu nhỏ gọn, hiệu suất có thể đạt tới 0,7 ÷ 0,8, áp suất có thể đạt 10 (MPa), lưu lượng từ 5 ÷ 200 (l/phút).

Căn cứ vào lưu lượng thực tế của bơm ta đã tính toán ở phần trước ta chọn loại bơm cánh gạt tác dụng kép có lưu lượng riêng là 90000 (mm3/s).

5.3.6. Tính toán các chi tiết của van phân phối

a) Tính góc xoay của van xoay

' ' '+  = 

• ∆′: khe hở giữa mép van ống trong và van ống ngoài:

  . . . 2 d . . 2 1. ' d p g h Q  =  Trong đó:

Q: Là lưu lượng dầu cung cấp cho bộ cường hóa làm việc Q = 84436 (mm3/s) d1: Là đường kính lõi van, chọn d1 = 26 (mm)

h: Là độ dài chiều dọc rãnh van h = 21 (mm)

g: Gia tốc trọng trường g = 10 (m/s2) bằng 1000 (mm/s2)

𝛾𝑑: Là trọng lượng riêng của dầu 𝛾𝑑 = 0,9 (g/cm3) bằng 9.10-6 (N/mm3) ψ: Là tổn thất cục bộ ψ = 3,1.

∆′ = 84436

2.21.26.√2.1000.0,003

9.10−6.3,1

= 1,7 (mm)

Khi tính đến sự tiết lưu trong các đường rãnh dầu lấy: ∆′ = 2 (mm).

• ∆′′: độ trùng khớp cực đại của mép van ống trong và van ống ngoài (độ “chờm” của van) được xác định từ điều kiện lượng lọt dầu của van xoay (Q1):

1 max 2 " . . 24 . . . Q P d h   =  Do ∆′′ quá nhỏ nên lấy ∆′′ = 0,1 (mm)

Vậy hành trình toàn bộ van xoay về một phía tính theo chu vi van:

∆ = ∆′ + ∆′′ = 2 + 0,1 = 2,1 (mm) b) Các thông số khác

❖ Góc xoắn để mở van:

2 / 0 d CH  = 

∆: Hành trình theo chu vi của van xoay khi cường hóa làm việc d: đường kính lõi van d = 26 (mm).

Nên ta tính được: 0

0 2,1 0,16( ) 9, 2 13 CH rad  = = =

Vậy thanh xoắn sẽ phải xoắn đi một góc là 9,20 thì đường dầu cường hóa mới làm việc.

❖ Góc quay tự do toàn bộ 0của vành tay lái khi có cường hóa:

oCH c  

0 = 0 +2.

𝜑0𝑐: độ rơ của hệ thống lái khi không có cường hóa 𝜑0𝑐 = 80.

oCH c  

0 = 0 +2. = 80 + 2.9,20 = 26,40

c) Tính toán thanh xoắn

Thanh xoắn có nhiệm vụ giống như lò xo định tâm trong kết cấu van trượt. Chọn vật liệu để chế tạo thanh xoắn chính là thép lò xo G60A có modul đàn hồi:

G = 8.104(N/mm2)

Đường kính của thanh xoắn phải thỏa mãn sao cho khi bắt đầu trợ lực, ứng với lực đặt lên vành tay lái là PVL0 = 25 (N) thì thanh xoắn phải xoắn một góc 9,20.

Ứng suất xoắn của thanh xoắn được xác định theo công thức:

3 . 2 . 0 . D R PVL VL = 

Góc xoắn của thanh xoắn được xác định theo công thức:

G D L . . . 2  = nên ta có: G L D . . . 2   =

Chiều dài của thanh xoắn: L = 92 (mm)

D = √2.𝑃𝑉𝐿.𝑅𝑉𝐿.𝐿 0,2.𝜃.𝐺 4 = √0,2.2.25.200.929,20.𝜋 1800.80000 4 = 4,4 (mm)

Chọn đường kính của thanh xoắn là: D = 5 (mm)

Hình 5. 9: Thanh xoắn ❖ Kiểm nghiệm điều kiện bền:

  500( ) . 2 , 0 . . 3 MPa D R PVL VL  = =     500( ) ) ( 200 10 . 5 . 2 , 0 10 . 200 . 25 9 3 3 MPa MPa  = = = −−  

CHƯƠNG 6. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG LÁI 6.1. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG LÁI TRÊN CARSIM

6.1.1. Cách khởi động carsim

Start → Apps → CarSim 8.02 → CarSim hoặc dùng chuột double - click vào biểu tượng Carsim trên màn hình Desktop, tiếp tục chọn theo ô khoanh chữ nhật.

6.1.2. Tạo dữ liệu

Carsim sẽ bắt đầu với một cửa sổ có tên là CarSim Run Control. Chọn mục menu File. Sau đó chọn continue. Cửa sổ chuyển hướng tập tin Windows sẽ xuất hiện. Điều hướng đến CarSim80_Progfolder cài đặt trên máy tính của bạn (thường là C: \ Program Files) và tiếp tục vào Resources \ Import_Examples để tìm tập tin Quick_Start.cpar. Chọn tập tin này và nhấn vào nút Load (dẫn tới như hình 6.1).

Hình 6. 1:Khởi động carsim

Sau khi xuất hiện định dạng như hình trên, ở phần Test Specifications sẻ là phần ta lựa chọn dòng xe và hệ thống chúng ta cần mô phỏng.

Hình 6. 2:Lựa chọn dòng xe

6.1.3. Nhập thống số

Sau khi lựa chọn được loại xe chúng ta sẻ đến bước nhập các thống số của chúng ta

PHÂN TÍCH VÀ CHỌN HƯỚNG TRỢ LỰC LÁI

TÍNH BỀN BỈ CỦA HỆ THỐNG LÁI