- Các góc lái ở cả hai trục có thể được lựa chọn độc lập từ đầu vào của người lái xe. Hệ thống điều khiển chủ động đạt được sự gia tăng gần như tính tốn của chuyển động hướng dẫn qua đầu vào của người lái khi bánh sau quay ở tốc độ thấp. Sự nhanh nhẹn tốt hơn do sự rút ngắn ảo của chiều dài cơ sở đã được mô tả trong chất lượng động học của hệ thống lái bốn bánh. Tỉ số truyền của hệ thống lái ở tốc độ này giúp cho việc lái xe trở nên dễ dàng hơn, ngay cả trong những góc hẹp.
43
- Khi tốc độ trên 50 km / h, bánh sau quay thẳng hàng với bánh trước. Góc lái ổn định liên tục được tăng lên như một hàm của tốc độ và góc của tay lái. Nhu cầu cao hơn về góc lái phát triển sau đó được bù đắp bởi hệ thống lái ở trục trước. Hệ thống lái tất cả các bánh được áp dụng sao cho cùng một tốc độ, bán kính vào cua của ơ tơ có hệ thống lái thơng thường so với bán kính vào cua của ơ tơ có hệ thống lái chủ động tích hợp. Do đó, tính trung lập của hệ thống lái chủ động tích cực có cơng thức:
𝜓 =𝑣
𝑟 (2.6)
- Góc lái được tăng từ từ và đều đặn đến giới hạn trên gia tốc. Được thể hiện trong (hình 2.37), hệ thống lái bánh sau và hệ thống lái bánh trước được phối hợp để tăng tốc độ bên trong so với gia tốc giống như trong mơ hình cơ sở. Lợi ích của việc lái xe ổn định hơn
được bảo đảm toàn bộ. Với gia tốc ngang 8 m/s2, góc trượt trong của xe ơ tơ có hệ thống
lái chủ động nhỏ hơn một nửa so với hệ thống lái thông thường. [6]
44
- Beta (cơ sở) góc trượt bên β của xe có hệ thống lái thơng thường; STWA (cơ sở) góc
vơ lăng 𝛿𝐻 của xe có hệ thống lái thông thường; độ lệch (cơ sở) tốc độ nghiêng ψ của xe
có hệ thống lái thơng thường.
- Beta (IAS) góc trượt bên β của xe có hệ thống lái chủ động tích hợp; STWA (IAS) góc
vơ lăng 𝛿𝐻 của xe có hệ thống lái chủ động tích hợp; YAW (IAS) tốc độ nghiêng ψ của
45
Chương 3:
TÍNH TỐN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG LÁI
3.1 Các thông số của hệ thống lái
Bảng 3.1: Các thơng số tính tốn
STT Tên gọi Giá trị Đơn vị
1 Chiều dài cơ sở của xe (L) 1200 mm
2 Chiều dài đòn quay đứng l mm
3 Khoảng cách giữa hai tâm trụ quay đứng (B) 591 mm
4 Chiều dài thanh kéo 573 mm
5 Tải trọng tác dụng lên một bánh xe dẫn hướng khi
toàn tải
2900 Nm
6 Góc dỗng bánh xe dẫn hướng Độ
7 Độ chụm bánh xe dẫn hướng c mm
8 Góc nghiêng ngang trụ quay đứng β Độ
9 Góc nghiêng dọc trụ quay đứng γ Độ
10 Hệ số cản lăn 0,015
11 Bán kính vơ lăng 180 mm
12 Tỷ số truyền của cơ cấu lái 18
13 Bán kính quay vịng 2400 mm
14 Hiệu suất thuận 0,986
15 Khoảng cách từ trục trước đến trọng tâm xe a1 mm
46
3.1.1 Xác định mơmen quay vịng và lực lái lớn nhất
- Lực đặt lên vành lái được xác định cho trương hợp ơtơ quay vịng tại chỗ vì lúc này lực cản quay vịng đạt giá trị cực đại. Lúc đó mơmen cản quay vịng trên một bánh xe dẫn hướng Mc sẽ bằng tổng số của mômen cản lăn M1, mômen ma sát giữa bánh xe và mặt đường M2 và mômen ổn định M3 gây nên bởi các góc đặt của các bánh xe và trụ đứng.
Mcq = (M1 + M2 + M3).γ
η (3.1)
Mô men cản chuyển động M1:
M1 = Gbx. f. c (3.2)
Trong đó: Gbx- Trọng lượng tác dụng lên một bánh xe dẫn hướng Gbx = 𝐺1
2 (3.3)
Thay số ta được: Gbx =2900 N f- Hệ số cản lăn: f= 0,015 c- Cánh tay đòn.c= 0,03 m
Thay số vào công thức (3.2) ta được: M1=2900.0,015.0,03=1,305 (Nm)
47
Khi có lực ngang Y tác dụng lên bánh xe, do sự đàn hồi bên của lốp, diện tích tiếp xúc giữa lốp xe với đường sẽ bị quay tương đối với mặt phẳng của bánh xe. Điểm đặt của lực ngang Y sẽ dịch chuyển một đoạn x nào đó phía sau đối với trục bánh xe. Đoạn x được thừa nhận bằng một phần tư chiều dài của bề mặt tiếp xúc giữa lốp với đường.
Ta có: x = 0,5√x2− r2
bx (3.4)
Trong đó: r- bán kính tự do của bánh xe dẫn hướng. Chọn cỡ lốp xe 225/55R19
𝑟 = (𝐵 +𝑑
2) (3.5)
Thay số vào (3.5) ta được: r=((550+19.25,4)/2)= 516.3 mm
rbx - bán kính làm việc của bánh xe, rbx = 0,96.r
Nếu rbx = 0,96.r thì x=0,14.516,3=72.23 (mm) = 0,0722 (m) Thì mơ men cản M2 do ma sát giữa bánh xe và mặt đường:
M2 =Y.x = 1Gbx.0,14r (3.6)
Thay số vào (3.6) ta được: M2= 0,7.2900.0,0722=146,566 (Nm) Trong đó: 1 – Hệ số bám ngang
Y- Lực ngang tổng hợp;
x- Độ dịch về phía sau của điểm đặt lực ngang tổng hợp so với tâm diện tích tiếp xúc giữa lốp với mặt đường do sự đàn hồi bên của lốp gây ra.
48
- Tổng mơ men cản quay vịng ở cả hai bánh xe dẫn hướng : (3.6)
Mc= 2(M1+ M2)γ
η = 2Gbx(fc + 0.14φr)γ
η (3.7)
Thay số vào (3.7): Mc= 2(1,305+146,566).1.07=316.4 (Nm)
γ- Hệ số tính đến ảnh hưởng của M3 gây ra do cầu trước ô tô bị nâng lên, γ = 1.07 ÷
1.15
- Lực cực đại tác dụng lên vô lăng được xác định theo công thức: Plmax= Mc
R iωidηt = 132,05 (N) (3.8)
Trong đó : iω- Tỉ số truyền cơ cấu lái, iω =360/20= 18
id- Tỉ số truyền của dẫn động lái, id =0,986
γ- Hệ số tính đến ảnh hưởng của M3 gây ra do cầu trước ô tô bị nâng lên,
= 1.07 ÷ 1.15
ηt - Hiệu suất thuận cơ cấu lái = 0,75
49
3.1.2 Tính động học hình thang lái
Hình 3.2: Quan hệ giữa góc quay của các bánh xe dẫn hướng. Muốn ô tô quay vịng mà khơng bị trượt thì điều quay vịng: Muốn ô tô quay vịng mà khơng bị trượt thì điều quay vịng:
cotgβ =OD̅̅̅̅̅
L ; cotgα =OC̅̅̅̅
L (3.9)
cotgβ− cotgα= OD̅̅̅̅̅−OC̅̅̅̅ L =B
L (3.10)
Thay số vào (3.10) cotgβ− cotgα= 591
1200 = 0.4925
Trong đó: β: Là góc quay của bánh xe dẫn hướng bên trong.
α: Là góc quay của bánh xe dẫn hướng bên ngoài.
L: chiều dài cơ sở của ô tô.
50
Trường hợp khi xe đi thẳng:
Hình 3.3: Sơ đồ hình thang lái khi xe đi thẳng
Từ sơ đồ hình tháng lái trên hình ta có thể tính được mối quan hệ giữa các thông số theo các biểu thức sau:
𝑋 = 𝐵 − 2. (𝑚 cos 𝜃 + 𝑝. cos 𝛾) (3.11)
Trong đó: sin 𝛾 = (𝑦 − 𝑚. sin 𝜃)/𝑝 (3.12)
=> cos 𝛾 = √1 − 𝑠𝑖𝑛2𝛾 = 1
𝑝. √𝑝2− (𝑦 − 𝑚. sin 𝜃)2 (3.13) Thay vào (3.13) ta được:
51
Trường hợp khi xe quay vịng:
Hình 3.4: Sơ đồ hình thang lái khi xe quay vịng
Từ sơ đồ dẫn động trên hình ta có mối quan hệ của các thông số theo quan hệ sau : 𝐴𝐵 = 𝐵 − [𝑚. cos(𝜃 − 𝛽) + 𝑝. cos 𝛾 + 𝑋] (3.14)
Mà: cos 𝛾 = 1
𝑝. √𝑝2− [𝑦 − 𝑚. sin( 𝜃 − 𝛽)]2 (3.15) Từ quan hệ hình học trong tam giác ACD ta có:
𝐴𝐶2 = 𝐴𝐷2+ 𝐶𝐷2 = 𝐴𝐷2+ 𝑦2 (3.16)
𝐵𝐶2 = 𝐴𝐶2+ 𝐴𝐵2− 2. 𝐴𝐵. 𝐴𝐶. cos 𝜓 (3.17) Thay vào biểu thức trên ta có:
cos 𝜓 =𝐴𝐶
2+ 𝐴𝐵2− 𝐵𝐶2 2. 𝐴𝐵. 𝐴𝐶 =
𝑦2+ 𝑚2− 𝑝2+ 𝐴𝐷2 2. 𝑚. √𝐴𝐷2 + 𝑦2
Suy ra: 𝜓 = arccos 𝑦2+𝑚2−𝑝2+𝐴𝐷2
2.𝑚.√𝐴𝐷2+𝑦2 (3.18)
Từ mối quan hệ hình học trong tam giác ACD ta có:
𝑡𝑔𝜑 = 𝐶𝐷 𝐴𝐷 = 𝑦 𝐴𝐷=> 𝜑 = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑔 𝑦 𝐴𝐷 (3.19) Mặt khác: 𝜃 + 𝛼 = 𝜓 + 𝜑 (3.20) 𝛼 = 𝜓 + 𝜑 − 𝜃 (3.21)
52
Từ (3.18) và (3.19) thay vào (3.21) ta có biểu thức:
2 2 2 2 2 2 . . 2 arccos y AD m AD p m y AD y arctg [1]
3.1.3 Động lực học quay vòng của hệ thống lái 4WS
- Khi xe vào đường vòng, để đảm bảo các bánh xe dẫn hướng khơng bị trượt lết hoặc trượt quay thì đường vng góc với các vecter vận tốc chuyển động của tất cả các bánh xe phải gặp nhau tại điểm O hay nói cách khác đường kéo dài của các trục bánh xe phải cắt nhau tại điểm O. Điểm O gọi là tâm quay vòng tức thời của xe.
3.1.3.1 Hai bánh quay cùng chiều.
53
Hình 3.6: Mơ hình thơng số khi xe quay vịng hai bánh quay cùng chiều
- Từ hình 3.5 và hình 3.6 ta có thể suy ra điều kiện để xe khơng bị trượt khi quay vịng là:
cotδof - cotδif = wf
L - wr
L ∙cotδof − cotδif
cotδor − cotδir (3.22) - Các phương trình của hệ thống lái bốn bánh được minh họa qua hình :
tanδif = c1 R1− (wf 2) (3.23) tanδof = c1 R1+ (wf 2) (3.24) Khi bỏ R1 thì phương trình sẽ là: 𝑅1 =1 2𝑤𝑓+ 𝑐1 𝑡𝑎𝑛𝛿𝑖𝑓 (3.25) 𝑅1 = −1 2𝑤𝑓 + 𝑐1 𝑡𝑎𝑛𝛿𝑜𝑓 (3.26)
54
Suy ra : cotδof - cotδif = wf
c1 (3.27) tanδir = c2 R1− (wr2) (3.28) tanδor = c2 R1+ (wr2) (3.29) Tương tự, chúng ta bỏ R1 thì phương trình sẽ là: 𝑅1 =1 2 + 𝑐2 𝑡𝑎𝑛𝛿𝑖𝑟 (3.30) 𝑅1 = −1 2 + 𝑐2 𝑡𝑎𝑛𝛿𝑜𝑟 (3.31)
Suy ra : cotδor - cotδir = wr
c2 (3.32) Mà: c1 = wf cotδof − cotδif (3.33) c2= wr cotδor − cotδir (3.34) Nên: c1− c2 = L (3.35)
Thay công thức (3.33), (3.34) vào công thức (3.35):
wf
cotδof − cotδif - wr
cotδor − cotδir =L (3.36)
- Từ đó ta có thể tính tốn được bán kính quay vịng của xe trong trường hợp hai bánh xe quay cùng chiều với nhau:
55
3.1.3.2 Hai bánh quay ngược chiều
- δif và δof là các góc lái của bánh xe bên trong và bên ngồi phía trước, δir và δor
là những góc lái của bánh sau bên trong và bên ngoài, và l là chiều dài cơ sở của xe, a1 là khoảng cách từ trục trước đến trọng tâm của xe, a2 là khoảng cách từ trục sau đến trọng tâm của xe.
56
Hình 3.8: Mơ hình thơng số khi xe quay vòng hai bánh quay ngược chiều
- Từ hình 3.7 và hình 3.8 ta có thể suy ra điều kiện để xe khơng bị trượt khi quay vòng là:
cotδof - cotδif = wf
L - wr
L ∙cotδof − cotδif
cotδor − cotδir (3.38) - Các phương trình của hệ thống lái bốn bánh được minh họa qua hình :
tanδif = c1 R1− (𝑤𝑓 2) (3.39) tanδof = c1 R1+ (𝑤𝑓 2 ) (3.40) Khi bỏ R1 thì phương trình sẽ là: 𝑅1 =1 2𝑤𝑓+ 𝑐1 𝑡𝑎𝑛𝛿𝑖𝑓 (3.41) 𝑅1 = −1 2𝑤𝑓 + 𝑐1 𝑡𝑎𝑛𝛿𝑜𝑓 (3.42)
57
Suy ra: cotδof - cotδif = wf
c1 (3.43) tanδir = c2 R1− (wr2) (3.44) tanδor = c2 R1+ (wr2) (3.45) Tương tự ta loại bỏ R1: 𝑅1 =1 2𝑤𝑟+ 𝑐2 𝑡𝑎𝑛𝛿𝑖𝑟 (3.46) 𝑅1 = −1 2𝑤𝑟 + 𝑐2 𝑡𝑎𝑛𝛿𝑜𝑟 (3.47)
Suy ra: cotδor - cotδir = wr
c2 (3.48) Mà: c1= wf cotδof − cotδif (3.49) c2= wr cotδor − cotδir (3.50) Nên: c1− c2 = L (3.51)
58 wf
cotδof − cotδif -
wr
cotδor − cotδir = L (3.52)
- Từ đó ta có thể suy ra cơng thức tính bán kính quay vịng trong trường hợp hai bánh xe quay ngược chiều với nhau.
R = √(a2+ c2)2+ c12cot2δf (3.53)
- Sau khi xét hai trường hợp hai bánh xe quay cùng chiều và hai bánh xe quay ngược chiều ta có thể rút ra được các phương trình chung cho cả hai hệ là:
c1 – c2 = L (3.54)
c1 = wf
cotδof − cotδif (3.55)
c2 = wr
59
Chương 4:
QUY TRÌNH THIẾT KẾ VÀ MƠ PHỎNG
4.1 Mơ phỏng hệ thống lái bằng phần mềm Solidworks 4.1.1 Lịch sử hình thành 4.1.1 Lịch sử hình thành
- Tổng cơng ty Solidworks được thành lập vào tháng 12/1993 bởi Viện Công nghệ Massachusetts của Jon Hirschtick. Hirschtick. Ban đầu cơng ty có trụ sở tại Waltham, Massachusetts, Hoa Kỳ, Hirschtick tuyển dụng một đội ngũ kỹ sư với mục tiêu xây dựng phần mềm CAD 3D mà dễ sử dụng, giá cả phải chăng, và chạy trên nền Windows. Hoạt động sau từ Concord, Massachusetts, Solidworks phát hành sản phẩm đầu tiên của mình Solidworks 95 vào năm 1995. Năm 1997, Dassault nổi tiếng với phần mềm CATIA CAD. Từ đó đên nay, Solidworks ngày càng phát triển, trải qua 26 phiên bản và cho đến nay SolidWorks được đánh giá là phần mềm phổ biến nhất hiện nay.
4.1.2 Giới thiệu phần mềm SolidWorks.
- SolidWorks là phần mềm thiết kế 3D chạy trên hệ điều hành Windows và có mặt từ năm 1997, và được tạo bởi công ty Dassault Systèmes SolidWorks Corp., một công ty con của Dassault Systèmes, S. A. Hiện tại, hơn 2 triệu kỹ sư và nhà thiết kế với hơn 165,000 cơng ty trên tồn thế giới đang dùng SolidWorks.
4.1.3 Tính năng trên SolidWorks.
- Khả năng thiết kế mơ hình 3D hồn hảo. - Tính năng lắp ráp các chi tiết.
- Xuất bản vẽ trên phần mềm SolidWorks. - Tính năng gia cơng trên SolidWorks.
60
- Phân tích động lực học.
4.1.4 Thiết kế khung xe
- Chúng ta có thể tạo 1 file mới bằng 4 cách sau: 1. Nhấp vào New Document tại thanh Task Pane 2. Nhấp vào New tại thanh Menu Bar
3 Để chuột vào mũi tên trên thanh Menu, rồi nhấp vào File New. 4. Nhấn tổ hợp phím Ctrl+N.
- Sau khi mở 1 File mới, hộp thoại New SolidWorks Document hiển thị. Trong phần New SolidWorks Document có 3 phần: Mơi trường Part dùng để tạo mơ hình, mơi trường Assembly dùng để tạo khối lắp và môi trường Drawing để tạo bản vẽ.
61
- Sau khi ấn vào mơi trường Drawing thì nó sẽ hiển thị bảng Sheet Format/Size để chúng ta chọn khổ giấy. Ở đây mình sẽ chọn khổ A4 và nhấn OK
Hình 4.2: Bảng Sheet Format/Size
- Tiếp theo là vẽ khung tên ta dùng Corner Rectangle đễ vẽ hình chữ nhật.
62
- Ta dùng lệnh Line để vẽ các đường thẳng và ngang trong khung tên. Sau đó dùng lệnh Smart Dimention để đo kích thước bằng cách kích chuột vào điểm bắt đầu và điểm kết thúc, sau đó kéo chuột là nó sẽ hiển thị kích thước.
Hình 4.4: Kích thước tiêu chuẩn của khung tên
-Sau khi vẽ xong, tiến hành xuất bản vẽ bằng cách nhấn Ctrl + P, chọn Page Setup và chọn size khổ giấy A4 sau đó chọn Landscape để khổ giấy nằm ngang và nhấn OK, lưu File dưới dạng PDF.
63
Hình 4.6: Bản vẽ khung xe
4.1.5 Thiết kế các chi tiết
Để thiết kế một chi tiết, ta chọn FileNew hoặc nhấn tổ hợp phím Ctrl + N để mở một File mới. Sau đó ta chọn mơi trường Part để vẽ, khi vào trong môi trường Part ta chọn Sketch để vẽ. Trong Sketch thì có 3 mặt phẳng (Top Plane, Front Plane, Right Plane), ta chọn một mặt phẳng để vẽ. Ta dùng các lệnh Line để vẽ các đường thằng, dùng lệnh Circle để vẽ đường trịn, sau đó dùng lệnh Extruded Boss/Base để dựng hình. Sau khi vẽ xong, ta tiến hành đo kích thước và xuất bản vẽ bằng cách nhấn Ctrl + P, chọn Page Setup và chọn size khổ giấy A4 tích vào mục Landscape để khổ giấy nằm ngang và chọn OK
64
Hình 4.7: Bản vẽ chi tiết cùm moay-ơ
Moay-ơ là một bộ phận trong hệ thống bánh xe của ơ tơ, nó liên kết với bánh xe để chiếc
xe có thể hoạt động một cách tốt nhất. Vòng bi moay-ơ giúp liên kết bánh xe với moay- ơ, giúp bánh xe có thể liên kết với khung xe. Vai trò của moay-ơ là giữ cân bằng cho xe, để xe có thể di chuyển một cách êm ái và an toàn hơn.
65
Thanh răng liên kết trực tiếp với bánh răng và 2 đầu thanh răng nối với thanh dẫn động. Có chức năng chính chuyển đổi chuyển động xoay của bánh răng thành chuyển động thẳng, tăng khả năng giảm tốc, ổn định góc quay vơ lăng.
66
Hình 4.9: Bản vẽ thanh dẫn động
Thanh dẫn động được nối tại các đầu thanh răng ở trên trục quay, cơ cấu thanh răng trục