Gạt mưa dạng đối diện

Hình 1 .5 Cần và lưỡi gạt nước trên ô tô

Hình 1.9 Gạt mưa dạng đối diện

Một thiết kế gạt nước khác (Hình 1.9) dựa trên thước sao, được sử dụng trên nhiều phương tiện thương mại, đặc biệt là xe bt có kính chắn gió lớn. Cần gạt nước Pantograph có hai cánh tay cho mỗi lưỡi gạt nước, với bộ lưỡi gạt nước được hỗ trợ trên thanh ngang nối hai cánh tay. Một trong hai cánh tay được gắn vào động cơ, trong khi cánh tay kia nằm trên trục xoay nhàn rỗi. Cơ chế pantograph, trong khi phức tạp hơn, cho phép lưỡi gạt mưa che được nhiều kính chắn gió hơn trên mỗi lần gạt. Tuy nhiên, nó nằm cố định gạt nước phải "đậu" ở giữa kính chắn gió, nơi nó có thể cản trở một phần tầm nhìn của người lái khi khơng sử dụng. Những chiếc xe Lexus và một số nước Mỹ sử dụng phương pháp này để bao phủ nhiều khu vực kính hơn, nơi kính chắn gió khá rộng nhưng cũng rất nơng. Chiều cao giảm của kính chắn gió sẽ cần sử dụng cánh tay gạt nước ngắn khơng có khả năng tiếp cận với mép của kính chắn gió.

Cần gạt nước một lưỡi đơn giản với một trục trung tâm (Hình 1.10) thường được sử dụng trên kính chắn gió phía sau, cũng như ở mặt trước của một số xe ô tơ.

Mercedes-Benz đã tiên phong một hệ thống (Hình 1.11) được gọi là "Monoblade",

dựa trên các công cụ đúc hẫng, trong đó một cánh tay duy nhất vươn ra ngồi để đến các góc trên cùng của kính chắn gió, và kéo vào cuối và giữa của cú đánh, quét ra một con đường hình chữ "M". Bằng cách này, một lưỡi dao duy nhất có thể bao phủ nhiều hơn kính chắn gió, di chuyển bất kỳ vệt cịn lại ra khỏi trung tâm của kính chắn gió. Một số xe lớn hơn vào cuối thập niên 70 và đầu thập niên 80, đặc biệt là những người lái xe Mỹ LH , có một cần gạt

nước ở phía người lái, với trục xoay thơng thường bắt đầu ở phía hành khách.

Hình 1.11. Cần gạt nước dạng đơn

Hình 1.12. Cần gạt nước dạng đơn monoblade

Khoa cơ khí Đồ án tốt nghiệp

Cần gạt nước dạng song song giống hình 1.7 nhưng đảo ngược cơ cấu gạt. Cần gạt dạng này được sử dụng ở loại xe RHD ( xe có tay lái nằm bên phải xe dành cho các nước có giao thơng đi về bên trái).

Hình 1.13. Cần gạt nước dạng song song1.4.1.2 Các cách bố trí gạt mưa ít gặp 1.4.1.2 Các cách bố trí gạt mưa ít gặp

Dưới đây là một số thiết kế hệ thống gạt mưa lỗi thời thường ít gặp tại thời điểm hiện tại. Các hệ thống này thường thấy ở các xe chuyên dụng như xe bus trường học, xe cứu hỏa và xe quân sự.

Hình 1.15. Dạng lưỡi gạt đơn

Hình 1.16. Dạng lưỡi gạt đơn ngược hướng

Khoa cơ khí Đồ án tốt nghiệp CHƯƠNG 2. TÍNH TỐN THIẾT KẾ

2.1. Tính tốn góc gạt nước trên kính lái

Góc gạt nước rửa kính là góc quay của thanh gạt nước từ điểm thấp nhất ban đầu so với điểm gạt nước cao nhất trong hệ thống gạt mưa. Xác định góc quay gạt kính phù hợp nhằm mục đích gạt nước được hiệu suất tối đa nhưng vẫn đảm bảo kính lái được gạt đầy đủ và sạch.

Dưới đây là cơ cấu cần gạt mưa của xe Toyota Fortuner 2017.

Hình 2.1. Cơ cấu hệ thống cần gạt mưa

2.1.1. Tính tốn góc cơ cấu giằng khi cần gạt ở vị trí thấp nhất

Để tính tốn góc quay, chúng ta phải biết được các thông số độ dài thanh giằng ở hệ thống gạt mưa. Dưới đây là cơ cấu cần gạt ở vị trí thấp nhất:

A

B

Hình 2.2. Sơ đồ cơ cấu gạt mưa quy về các khâu khớp ở vị trí ban đầu

Từ sơ đồ hình 2.2 ta tách và phân tích rõ hơn cơ cấu các thanh giằng ở vị trí ban đầu của lưỡi gạt mưa:

A

B

O

Hình 2.3. Sơ đồ cơ cấu giằng khi cần gạt mưa ở vị trí thấp nhất

Ta có chiều dài các đoạn thanh giằng là:

AE=550 (mm); CD= 270 (mm);

AB= 65 (mm); ED=75 (mm);

AC=330 (mm); EC=230 (mm);

BC=270 (mm); OC= 50 (mm);

C Ta có:  Cos (CED) CED114, 62 = 75 (1)  Cos ( BAC) BAC 20, = 65 (2)

2.1.2. Tính tốn góc cơ cấu giằng khi cần gạt nước ở vị trí cao nhất

Để tính tốn góc quay, chúng ta phải biết được các thông số độ dài thanh giằng ở hệ thống gạt mưa. Dưới đây là cơ cấu cần gạt ở vị trí cao nhất.

A E

G H O I

Từ sơ đồ hình 2.2 ta tách và phân tích rõ hơn cơ cấu các thanh giằng ở vị trí ban đầu của lưỡi gạt mưa

A G

H

Hình 2.5. Sơ đồ cơ cấu giằng khi cần gạt mưa ở vị trí cao nhất

Ta có chiều dài các đoạn thanh giằng là: AG=65 (mm) ; AH=230 (mm); GH= 270 (mm); Ta có: Cos (GAH )  GAH121, (3)  Cos ( HEI ) HEI 32, 76

2.1.3. Góc sai số khi cơ cấu giằng quay từ vị trí cần gạt thấp nhất lên lớn nhất

Trong khi gạt nước, cơ cấu giằng sẽ quay một góc gạt cố định nhưng tại thời điểm gạt nước lớn nhất thì sẽ tạo ra góc lệch so với góc tại vị trí cân bằng nên ta phải cộng thêm một góc sai lệch nữa thì mới có được góc quay của tay gạt mưa.

H

O

Hình 2.6. Sơ đồ thể hiện các thanh giằng phía phải ở cả 2 vị trí

Ta có chiều dài các đoạn thanh giằng là: EH= 330 (mm);

EC= 230 (mm); HC=104 (mm);

Tính tốn góc lệch giữa thanh giằng ở hai trường hợp với nhau theo cơng thức:

Cos ( HEC)

3302 23021042 0,996

= 2.230.330



2.1.4. Góc gạt của hai thanh gạt nước

(5)

Từ các vị trí ban đầu của các thanh giằng so sánh với vị trí thanh ở vị trí cao nhất ta tìm được góc gạt của hai thanh gạt mưa nhờ cộng hoặc trừ đi góc sai số.

2.1.4.1 Góc gạt tại cần gạt nước bên phải (bên phía người lái)

Từ (1) (4) và (5) ta có:

CED HEI HEC IED



 Góc gạt nước trên kính phía bên lái là 87

2.1.4.2 Góc gạt tại cần gạt nước bên trái (bên phía phụ lái)

Từ (2) (3) và (5) ta có:

GEH BAC HEC BAG

121, 70

 Góc gạt nước trên kính phía bên phụ

36O106O

lái là 106O

Sau khi tính tốn xong góc gạt nước, ta có thể biểu diễn được sơ đồ góc quét của gạt mưa khi làm việc:

A

I 87°E D

Hình 2.7. Sơ đồ thể hiện góc gạt ở hai vị trí

2.2. Tính tốn tỉ lệ qt gạt nước trên kính lái

Chúng ta xác định tỉ lệ phần trăm lưỡi gạt gạt được trên kính lái bằng cách chia diện tích lưỡi gạt gạt được cho tổng diện tích của kính lái.

Bề mặt kính lái trước có dạng hình thang vậy nên để tính diện tích ta chia hình thành ba hình nhỏ gồm một hình chữ nhật và hai hình tam giác vng.

A

I B

C

Hình 2.8. Tổng diện tích kính chắn gió trước

Thơng số độ dài mặt kính là: AB=FE=73,9 (cm); AC=FD=73,2 (cm); BE=147,2 (cm); AF=120 (cm);

Diện tích kính chắn gió trước được tính bằng cơng thức:

S S

Trong đó:

S I 12 .BC . AC 13, 6.73, 2 497, 76 (cm2)

S II FA. AC 120.73, 2 8784 (cm2)

Khi đó, diện tích mặt kính chắn gió là:

S  S I S II S III 8784 497, 76 497, 76 9779, 52(cm 2 ) 0, 9779(

m2 )

2.2.2. Diện tích lưỡi gạt được trên kính chắn gió

Từ góc gạt mưa được tính tốn ở mục 2.1 ta biểu diễn được diện tích gạt nước ở trên hình 2.6. R21 R 11 L L s1 s2 R 12 R 22 G

Hình 2.9. Diện tích lưỡi gạt mưa gạt được trên kính chắn gió

Từ bản vẽ ta có được bán kính biên của lưỡi gạt nước: R11= 716 (mm)

R12=218 (mm) R21=726 (mm) R22=224 (mm)

2.2.3. Diện tích lưỡi gạt được bên phải (phía người lái)

Giả sử gạt nước quay một vịng thì ta có được diện tích qua cơng thức:

Lo1 L11 L12

Khoa cơ khí Trong đó: L 11 L 12  Lo1 L L 16097, 39 1492, 2514605,14(cm2 ) 11

Với góc gạt nước bên lái là

87 nên ta có:

L

s1

2.2.4. Diện tích lưỡi gạt được bên trái (phía phụ lái)

Giả sử gạt nước quay một vịng thì ta có được diện tích qua cơng thức:

Lo 2 L

L



G=0,0053 m2 .

Tổng diện tích hai lưỡi gạt mưa gạt được là:

Khoa cơ khí

L Ls1 ls 2 G 0,

s

Tỉ lệ gạt nước của hai lưỡi gạt so với cả mặt kính chắn gió là:

Hiệu quả= L

S

Vậy hệ thống gạt nước gạt được 80, 22 của toàn bộ diện tích kính lái.

2.3. Tính tốn cơng suất của mơ tơ gạt mưa và bơm nước rửa kính

Lượng cơng việc được thực hiện trên một đơn vị thời gian được gọi là cơng suất (P) do đó, cơng suất mơ tơ được tính bằng cơng thức:

P

Trong đó:

P: Cơng suất (w); W: Cơng thực hiện (J);

t: Thời gian thực hiện công (s); V: Điện áp tức thời (v);

I: Cường độ dòng điện tức thời (A).

2.3.1. Công suất mô tơ gạt mưa

Mô tơ gạt mưa sử dụng dòng điện 12V và gạt ở hai chế độ thấp và cao.

Khoa cơ khí Đồ án tốt nghiệp

2.3.2. Cơng suất bơm nước rửa kính

2.3.2.1 Cơng suất bơm nước rửa kính

P3 I3.V 3.12 36(W)

2.3.2.2 Tính tốn lưu lượng của bơm nước rửa kính

Để tính tốn lưu lượng của bơm nước rửa kính ta có thể tính bằng cách trừ thể tích của bình chứa nước rửa kính theo thể tích cuối và chia cho thời gian.

Ta có cơng thức: D  VO V1 t Trong đó:

D: Lưu lượng bơm nước rửa kính (lít/giây)

VO : Thể tích ban đầu của bình chứa nước (

V1 : Thể tích cuối của bình chứa nước ( m T: Thời gian bơm nước (s)

m )

Thể tích ban đầu của bình chưa nước là một lít và thể tích cuối là 0,5 lít. Thời gian cần thiết để chuyển 0,5 lít nước là năm phút.

VO1 (lít)

Khoa cơ khí

D

Vậy lưu lượng nước của bơm nước rửa kính là 0,0017 (l/s).

2.4. Tính tốn phân tích lực cơ cấu gạt mưa

2.4.1. Xác định lực lò xo tác dụng lên tay gạt mưa

Để cần gạt mưa hoạt động hiệu quả cần có một lực vừa phải tác động nhằm ép lưỡi gạt nước luôn áp sát mặt kính để khi gạt nước khơng bị lọt qua cần gạt nước. Với mục đích cuối cùng của hệ thống gạt mưa là làm sạch bề mặt kính khi gạt, do đó cần phải có một lực vừa đủ để tăng hiệu suất làm việc của hệ thống.

Coi mặt kính có biên dạng cong về mặt phẳng nhằm xác định lực ép lò xo một cách tương đối, lực ép lò xo được biểu diễn vng góc với mặt kính lái.

Flx

40°

124

Khoa cơ khí Đồ án tốt nghiệp

Theo [1] biểu thức tính độ cứng của phần tử đàn hồi là:

k 

E. A L0 Trong đó:

E: Modun đàn hồi của lò xo (N /

m ) Chọn E=82.10 /m2 )[2] A: Diện tích mặt cắt ngang chịu kéo của lị

xo (

r:bán kính sợi lị xo: r =0,001 (m)

m2) A .r2

L0: Chiều dài ban đầu trước khi lò xo bị kéo (m), chọn L118.10

0

Vì hai tay cần gạt nước có lị xo như nhau nên ta chỉ xét một tay gạt, vậy nên ta có độ cứng của lò xo là:

k

Với chiều dài ban đầu của lò xo là L118.10

0

Chiều dài lò xo sau khi được lắp vào cơ cấu gạt là dài của lò xo làx 6.103 ( m)

3

L124.10

1

nên ta có độ giãn

Vậy lực lị xo tác dụng lên cần gạt mưa được tính theo cơng thức:

Khoa cơ khí

Cơng thức tính lực ma sát do lưỡi gạt gây ra là Trong đó: Fms f Flx Vậy lực ma sát lên kính là: F ms

2.4.2.2 Lực dọc trục thanh giằng kéo khi cần gạt ở vị trí cao nhất

a)

Tại thanh giằng kéo tay gạt nước trái ta có một lực dọc trục

momen quay của mô tơ làm thanh chuyển động qua lại. Ta quy hệ thống về sơ đồ hình 2.9 Qua đây, ta cân bằng momen tại A để tính tốn lực P1

Fms

M

K

Khoa cơ khí Đồ án tốt nghiệp

Hình 2.11. Tay cần gạt trái ở vị trí gạt cao nhất

Lấy momen tại A ta có:

 M

 M

A

 63,86.474 P.65.sin(44)



b) Lực dọc trục thanh giằng tay cần gạt phải

Tại thanh giằng kéo tay gạt nước phải ta có một lực dọc trục dưới tác dụng của momen quay của mô tơ làm thanh chuyển động qua lại. Ta quy hệ thống về sơ đồ hình 2.10

Qua đây, ta cân bằng momen tại E để tính tốn lực.

N

Fms

461

Khoa cơ khí Đồ án tốt nghiệp

Lấy momen tại A ta có:

 M  M E  461.63, 86 P .sin(40).75 2 

2.4.2.3 Tính momen xoắn của mơ tơ tại vị trí momen cao nhất

Từ vị trí hai thanh giằng ngang đồng thời có khoảng cách cách xa tâm quay của mơ tơ gạt mưa nhất ta có thể xác định được momen quay của mô tơ đạt cực đại. Dưới đây là sơ đồ thể hiện vị trí thanh giằng khi cách xa trục mô tơ nhất.

S X A 49° B H C B* O E 53° D

Hình 2.13. Cơ cấu gạt mưa ở vị trí momen xoắn lớn nhất

Từ hình 2.13 ta tách cơ cấu cần gạt bên trái tại điểm có momen lớn nhất về một hệ riêng. Biểu diễn hình tại 2.14

Khoa cơ khí Đồ án tốt nghiệp J Fms 476 A B

Hình 2.14. Cơ cấu tay cần gạt mưa trái (phía lái phụ)

Xét momen tại A:

 M

 M A 63,86.476 P3.65

Momen xoắn tại O là:

MO3P3.OQ

 M 467,65.50.10

Khoa cơ khí Đồ án tốt nghiệp

riêng. Biểu diễn hình tại 2.15.

Z Fms 461 Y O 49 D

Hình 2.15. Cơ cấu tay cần gạt mưa phải (bên phía lái)

Xét momen tại E:  M E   M E F ms  63,86.461 P .75

Momen xoắn tại O là:

 MO4P4.OY

M

O 2.4.2.4 Tính tỉ số truyền cơ cấu

Momen xoắn cần gạt bên phải là:

M

cgp

Momen xoắn cần gạt bên trái là:

M

cgt

Điều kiện thỏa mãn:

Bảng 2.1. Chọn tỉ số truyền i phía cần gạt phải

i 0,8 0,7 0,6 quả trên ta chọn tỉ số truyền i=0,8

Đồ án tốt nghiệp

Thỏa mãn

Thỏa mãn

Không thỏa mãn

Bảng 2.2. Chọn tỉ số truyền i cần gạt tráii i 0,9 0,8 0,7 30,39 0, 30,39 0, 8 30, 39 0, 7 M

Vậy từ bảng 2.1 và 2.2 ta chọn được tỉ số truyền i =0,8

Xét với lúc cần gạt quay ở vị trí HIGH ta có tốc độ của mơ tơ là 65 (vịng/phút), từ đó ta suy ra vận tốc góc mơ tơ là 6,80 (rad/s).

Ta có vận tốc góc của động cơ theo cơng thức:

dccg .i  Vậy với   6,80( rad / 8, 5( rad / s) s)và tỉ số truyền i=0,8 ta có:

mgcosa mgsina

W

Hình 2.16. biểu diễn lực cần gạt mưa

2.4.3.1 Xác định lực ép nhỏ nhất để cần gạt hoạt động hiểu quả

Khi cần gạt được lắp trên cơ cấu gạt để hoạt động hiệu quả khơng bị trượt, bật nãy trong q trình làm việc thì phải có một lực vừa đủ ép cần gạt vào mặt kính lái. Do đó, ta đi xác định lực ép lị xo nhỏ nhất lên kính lái nhưng vẫn hoạt động hiệu quả.

Xét các lực tác dụng lên kính lái ở hình 2.13 ta suy ra điều kiện để lực ép nhỏ nhất