CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG LÁI
2.1. Sơ đồ động học hệ thống lái
2.1.1. Sơ đồ cấu tạo của hệ thống lái.
Hình 2.1: Sơ đồ kết cấu hệ thống lái đơn giản.
1. Vô lăng 2. Trục lái
3. ECU EPS, Motor
4. Cảm biến momen xoắn 5. Trục trung gian
6. Cơ cấu lái và thanh liên kết 2.1.2. Vô lăng lái.
Vô lăng lái có kết cấu cơ bản bao gồm vành tay lái, vỏ bọc thân xốp, bộ phận chức năng còi và túi khí. Khi lái xe điều khiển tác động vào vô lăng, nó sẽ chịu lực lái liên tục. Thiết kế cấu trục cơ bản (vành tay lái) yêu cầu phải được làm từ kim loại nhẹ như nhôm hoặc maggiê. Trong trường hợp va chạm, vô lăng lái phải có khả năng hấp thụ một lượng năng lượng cao, nhưng không gây phá vỡ. Các năng lượng hấp thụ chủ yếu làm biến dạng vùng vành lái dưới vô lăng, điều này được thực hiện bởi một thiết kế phù hợp của ác nan hoa và kết nối với vòng khung xương trung tâm của vô lăng. Túi khí
28
khi va chạm đột ngột có tác dụng bảo vệ cho người lái xe, yêu cầu phải được thực hiện ngay trong vòng 30 mili giây khi có tai nạn va chạm.
Vành lái có dạng vành tròn. Lực của người lái tác dụng lên vành lái tạo ra mô men quay để hệ thống lái làm việc. Mô men tạo ra trên vành lái là tích số của lực người lái trên vành tay lái với bán kính của vành lái.
Mvl=Pl.rvl. Trong đó:
Mvl: Là mô men vành lái
Pl: Là lực mà người lái tạo ra trên vành lái rvl: Là bán kính vành lái.
Vành lái của bất kỳ loại ôtô nào cũng có độ dơ nhất định, với xe con không được vượt quá 80
2.1.3. Trục lái
Chức năng cơ bản của trục tay lái là thiết lập liên kết cơ khí giữa vô lăng và cơ cấu lái. Vô lăng của xe và bánh răng của cơ cấu lái được liên kết sao cho bất kì chuyển động nào bắt đầu từ vô lăng sẽ được chuyển đổi hoàn toàn về động học và động lực học.
Từ vô lăng lái đến cơ cấu dẫn hướng trước, trục tay lái chủ yếu đảm nhận vai trò đỡ hệ thống lái phía trên, trục tay lái bao gồm một trục giao diện với vô lăng, gồm một hoặc nhiều chi tiết và trục lái trung gian. Trục lái thường có hai loại: Loại trục lái có thể thay đổi được góc nghiêng và loại trục lái không thay đổi được góc nghiêng. Trục tay lái loại thay đổi được góc nghiêng cho phép định vị tay lái so với người lái xe, người ta phân biệt độ nghiêng tay lái hoặc điều chỉnh theo phương đứng/ phương dọc để vị trí ngồi lái tốt nhất cho người lái. Trục lái loại thay đổi được góc nghiêng có thể điều chỉnh bằng tay hoặc bằng điện, được dẫn động bằng một hoặc hai động cơ và sử dụng cơ chế độc lập để tạo ra cả hai chuyển động. Khi người lái xe đã ngồi ở vị trí thuận tiện nhất, các bộ phận có thể di chuyển của điều chỉnh phải được khóa một cách đáng tin cậy. Điều quan trọng là cơ chế khóa phải khóa và mở khóa trơn tru trong khi tạo ra lực kẹp cao.
Ngoài ra, với trục lái còn có những chức năng:
- Cho phép ổ khóa cơ hoặc khóa điện khóa vô lăng lái để chống trộm.
- Dùng để gắn các công tắc trục lái (đèn báo, gạt nước kính chắn gió, công tắc đa chức năng)
- Kết hợp với một cơ cấu hấp thụ va đập, cơ cấu này hấp thụ lực dọc trục tác dụng lên người lái khi có va đập mạnh hoặc khi tai nạn xảy ra.
Trục tay lái và trục lái trung gian được cấu hình làm một môdun chung hoặc các bộ phận riêng biệt. Trục lái trung gian được liên kết với trục tay lái và kết nối với cơ cấu lái.
2.1.4. Cơ cấu lái thanh răng – bánh răng.
Hình 2.2: Kết cấu cơ cấu lái thanh răng – bánh răng.
Cơ cấu lái thường được dùng nhất cho xe du lịch và xe thương mại nhẹ là cơ cấu lái thanh răng – bánh răng, cơ cấu lái này biến chuyển động quay của vô lăng trực tiếp thành chuyển động tịnh tiến ngang của thanh răng, đồng thời cơ cấu lái bánh răng – thanh răng cũng đảm nhiệm luôn chức năng của hệ dẫn động lái với thanh răng đóng vai trò là đòn kéo ngang của hình thang lái, từ đó tác động trực tiếp lên các bánh xe dẫn hướng. Do vậy, kết cấu của hệ thống lái dạng thanh răng – bánh răng rất đơn giản, gọn nhẹ và ít tốn không gian bố trí.
30
Bánh răng trụ chéo: được kết nối với trục tay lái và vô lăng lái bằng trục lái trung gian, ăn khớp với thanh răng, biến đổi chuyển động quay của vô lăng lái thành chuyển động tịnh tiến của thanh răng. Bánh răng trụ chéo được lắp trên ổ bi trên và dưới, trong đó ổ bi dưới thường là một ổ bi kim hoặc có khi là một ổ bi cầu có kích thước nhỏ hơn ổ bi trên.
Thanh răng: có nhiệm vụ chuyển đổi chuyển động quay của vô lăng lái thông qua bánh răng trụ chéo, thành sự chuyển động tịnh tiến sang trái hoặc phải để thực hiện sự quay các bánh xe dẫn hướng tương ứng. Thanh răng phải đủ độ bền uốn do lực các thanh đẩy hai bên (rotuyn lái trong) từ các bánh xe dẫn hướng tạo ra. Vật liệu của thanh răng thường là SAE 1040, C40 – C43, EN8C, hoặc các loại thép hợp kim 37CrS4, 41CrS4, và làm bằng thép thanh tròn.
Cơ cấu lái thanh răng – bánh răng có hiệu suất cao theo cả hai chiều đánh lái của vô lăng.
2.1.5. Trợ lực lái điện EPS
Trong những năm gần đây, trợ lực lái bằng điện (Electric Power Steering Systems – EPS) được sử dụng ngày càng phổ biến hơn trên các hệ thống lái ô tô du lịch. Đối với trợ lực lái điện, momen trợ lực do động cơ điện cung cấp phụ thuộc vào lực tác dụng lên vô lăng (momen cản quay vòng) và vận tốc chuyển động. Ưu điểm của hệ thống lái trợ lực điện so với trợ lực bằng thủy lực là nó chỉ được kích hoạt khi cần thiết. Đây được gọi là hệ thống điện theo yêu cầu, tức là năng lượng chỉ được cung cấp khi xe được đánh lái. Kết quả là sự tiêu hao năng lượng trung bình khá thấp, dẫn đến quãng đường đi được tốt hơn và ít phát sinh khí thải CO2. Do bị hạn chế về mặt công suất động cơ điện trợ lực, khi ứng dụng cho các xe tải nặng và xe khách thì phải có động cơ điện đủ lớn để tạo ra lực cho phù hợp, dẫn đến không gian thiết kế hệ thống lái bị hạn chế. Do đó, hệ thống trợ lực lái trợ lực bằng điện sẽ không phù hợp với xe tải trọng lớn, nhưng đối với thiết kế xe du lịch hạng nhẹ, thì trợ lực lái điện rất thích hợp.
Sơ đồ nguyên lý của hệ thống trợ lực lái điện như hình 3.3, động cơ điện 2 cung cấp momen bổ sung vào trục lái thông qua bộ truyền trục vít – bánh vít 3 để hỗ trợ lực lái quay vòng thông qua ECU 6 điều khiển. ECU 6 tiếp nhận dữ liệu từ các cảm biến momen xoắn đặt tại trục lái, và cảm biến tốc độ xe đặt tại bánh xe cầu sau và đưa tín hiệu đầu ra cho động cơ điện hoạt động trợ lực lái lên trục lái.
Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý hệ thống lái trợ lực lái điện 1. Cơ cấu lái.
2. Động cơ điện một chiều DC.
3. Bộ truyền trục vít – bánh vít.
4. Cảm biến momen xoắn trục lái.
5. Cảm biến tốc độ của ô tô.
6. ECU điều khiển.
7. Đèn báo EPS.
8. Đường dây điện.