ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG LÁI XE CON 7 CHỖ

- KÈM BẢN VẼ CAD (nếu giao dịch qua zalo 0985655837) ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG LÁI XE CON 7 CHỖTỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LÁI1. Công dụng, phân loại, yêu cầu1.1. Công dụng của hệ thống láiHệ thống lái giữ vai trò điều khiển hướng chuyển động của ô tô (thay đổi hay duytrì) theo tác động của người lái. Hệ thống lái tham gia cùng các hệ thống điều khiển khácthực hiện điều khiển ô tô và đóng góp vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàngiao thông khi ô tô chuyển động. Hệ thống lái bao gồm các cụm và chi tiết từ cơ cấuđiều khiển (vành lái) tới các cơ cấu điều khiển hướng chuyển động toàn xe.1.2. Phân loại hệ thống lái• Phân loại theo phương pháp chuyển hướng Chuyển hướng hai bánh xe ở cầu trước (2WS) Chuyển hướng tất cả các bánh xe (4WS)• Phân loại hệ thống lái theo đặc tính truyền lực Hệ thống lái cơ khí Hệ thống lái có trợ lực bằng thuỷ lực, bằng khí nén, kết hợp…• Phân loại theo kết cấu của cơ cấu lái Cơ cấu lái kiểu trục vít globoit – con lăn Cơ cấu lái kiểu trục vít – răng rẻ quạt và trục vít – êcu bi Cơ cấu lái kiểu bánh răng – thanh răng• Phân loại theo cách bố trí vành lái Bố trí vành lái bên trái (theo luật đi đường bên phải) Bố trí vành lái bên phải (theo luật đi đường bên trái)1.3. Yêu cầu của hệ thống lái Một trong các hệ thống quyết định đến tính an toàn và ổn định chuyển động củaôtô là hệ thống lái. Theo đó hệ thống lái cần đảm bảo các yêu cầu sau: 7 ✓ Lực tác động lên vành lái nhẹ, vành lái nằm ở vị trí tiện lợi đối với người lái.✓ Đảm bảo tính năng vận hành cao của ôtô có nghĩa là khả năng quay vòng nhanhvà ngặt trong một thời gian rất ngắn trên một diện tích rất bé.✓ Đảm bảo được động học quay vòng đúng để các bánh xe không bị trượt lết khiquay vòng.✓ Hệ thống trợ lực phải có tính chất tuỳ động đảm bảo phối hợp chặt chẽ giữa sựtác động của hệ thống lái và sự quay vòng của bánh xe dẫn hướng.✓ Tránh va đập truyền ngược từ bánh xe lên vành lái✓ Cơ cấu lái phải được đặt ở phần được treo để kết cấu hệ thống treo trước khôngảnh hưởng đến động học cơ cấu lái.✓ Giữ chuyển động thẳng ổn định.✓ Hệ thống lái phải bố trí thuận tiện trong việc bảo dưỡng và sửa chữa.2. Kết cấu hệ thống lái Hình 1.1. Sơ đồ kết cấu hệ thống lái đơn giản 1. Vành lái; 2. Trục lái; 3. Cơ cấu lái; 4. Khung xe; 5. Đòn dẫn động2.1. Vành lái Vành lái là cơ cấu có dạng vành tròn. Người lái tác dụng lực lên vành lái tạo ramô 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 kínhcủa vành lái: Mvl=Pl.rvl 8 Trong đó: Mvl : Là mô men vành lái Pl : Là lực mà người lái tạo ra trên vành lái rvl : Là bán kính vành láiVành lái của bất kỳ loại ôtô nào cũng có độ dơ nhất định, với xe con không đượcvượt quá 80.2.2. Trục láiTrục lái có nhiệm truyền mô men lái xuống cơ cấu lái. Trục lái gồm có trục láichính có thể chuyển động truyền chuyển động quay của vô lăng xuống cơ cấu lái và ốngtruc lái để cố định trục lái vào thân xe. Trục lái 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 tainạn xảy ra.Trục lái thường có hai loại: Loại trục lái có thể thay đổi được góc nghiêng và loạitrục lái không thay đổi được góc nghiêng.Ngoài cơ cấu hấp thụ va đập ở trục lái chính còn có thể có thêm một số cơ cấu điềukhiển như: cơ cấu khoá lái để khoá cứng trục lái, cơ cấu nghiêng trục lái để có thể điềuchỉnh vị trí vô lăng theo phương thẳng đứng phù hợp với người lái, hệ thống trượt trụclái để có thể điều chỉnh được chiều dài của trục lái và đạt được vị trí ngồi lái tốt nhấtcho người lái.2.3. Cơ cấu láiCơ cấu lái là bộ phận cơ bản trong hệ thống lái, nó có nhiệm vụ biến chuyển độngquay vòng của trục lái thành chuyển động góc của đòn quay đứng và đảm bảo tỉ sốtruyền theo yêu cầu.Về bản chất, cơ cấu lái là hộp giảm tốc và có nhiệm vụ tăng mômen truyền từ vôlăng tới các bánh xe dẫn hướng. Các thông số đặc trưng cho cơ cấu lái gồm tỷ số truyền,hiệu suất thuận, hiệu suất nghịch.2.3.1. Tỷ số truyền cơ cấu lái Tỷ số truyền cơ cấu lái ic là tỷ số giữa góc quay của bánh lái và góc quay củađòn quay đứng:21ic= 9 Trong đó:1: là góc quay của vô lăng2: là góc quay của trục đòn quay đứng Tỷ số truyền cơ cấu lái có thể không đổi hoặc thay đổi. Quy luật thay đổi tỷ sốtruyền thích hợp nhất được thể hiện trên giản đồ sau: Hình 1.2. Giản đồ thể hiện quan hệ giữa tỷ số truyền của cơ cấu lái và góc quay của vành tay lái i = góc quay của vô lăng góc quay của bánh dẫn hướng (đối với cơ cấu lái trụcrăng thanh răng ). Phân tích đồ thị: Với quy luật thay đổi như trên, khi ô tô chuyển động trên đường thẳng với vận tốccao, người lái chỉ phải đánh lái với các góc rất nhỏ xung quanh vị trí trung gian, nên tỷsố truyền lớn ở đây giúp cho người lái điều khiển ô tô nhẹ nhàng. Hơn nữa tỷ số truyềnlớn có tác dụng làm giảm va đập truyền ngược từ đường lên vô lăng. Ở các góc đánh lái lớn thì tỷ số truyền nhỏ giúp cho việc điều khiển linh hoạt hơn,cho phép ô tô có thể quay vòng trong những chỗ hẹp, bán kính quay vòng nhỏ. Tuynhiên cơ cấu lái có tỷ số truyền thay đổi thường phức tạp, đắt tiền. Vì vậy với hệ thốnglái có trang bị trợ lực thì nên sử dụng cơ cấu lái có tỷ số truyền không đổi.2.3.2. Hiệu suất cơ cấu lái Trong cơ cấu lái người ta phân biệt 2 hiệu suất thuận và nghịch: Hiệu suất thuận: là hiệu suất tính theo lực truyền từ vô lăng tới bánh xe. Hiệu suấtnày càng lớn thì tổn hao năng lượng điều khiển càng nhỏ, nghĩa là lái càng nhẹ hơn Hiệu suất nghịch: là hiệu suất tính theo lực truyền từ bánh xe lên vô lăng, vì vậykhi thiết kế cơ cấu lái nên chọn hiệu suất nghịch nhỏ để giảm bớt lực truyền từ mặtđường lên vô lăng.− +   10 Như vậy, với hiệu suất nghịch nhỏ, các lực va đập từ mặt đường truyền ngược lênvô lăng giảm đi đáng kể. Đây là một ưu điểm của cơ cấu lái cần được tận dụng tối đa.Tuy nhiên, nếu chọn hiệu suất nghịch quá bé thì vô lăng sẽ mất khả năng tự trở về vị trítrung gian nhờ các mô men ổn định. Bởi vậy trong khi thiết kế nên chọn hiệu suất nghịchở mức độ hợp lý.2.3.3. Các yêu cầu của cơ cấu lái Phần lớn các yêu cầu của hệ thống lái đều do cơ cấu lái đảm bảo. Vì vậy cơ cấulái cần phải đảm bảo những yêu cầu sau:+ Có thể quay được cả hai chiều để đảm bảo chuyển động cần thiết của xe. + Có hiệu suất cao để lái nhẹ, trong đó cần có hiệu suất thuận lớn hơn hiệu suấtnghịch để các va đập từ mặt đường được giữ lại phần lớn ở cơ cấu lái.+ Đảm bảo thay đổi trị số của tỷ số truyền khi cần thiết.+ Đơn giản trong việc điều chỉnh khoảng hở ăn khớp của cơ cấu lái.+ Độ dơ của cơ cấu lái là nhỏ nhất.+ Đảm bảo kết cấu đơn giản nhất, giá thành thấp và tuổi thọ cao.+ Chiếm ít không gian và dễ dàng tháo lắp. Lực dùng để quay vô lăng được gọi là lực lái, giá trị của lực này đạt giá trị maxkhi xe đứng yên tại chỗ, và giảm dần khi tốc độ của xe tăng lên và đạt nhỏ nhất khi tốcđộ của xe lớn nhất. Sự đàn hồi của hệ thống lái có ảnh hưởng tới sự truyền các va đập từ mặt đườnglên vô lăng. Độ đàn hồi càng lớn thì sự va đập truyền lên vô lăng càng ít, nhưng nếu độđàn hồi lớn quá sẽ ảnh hưởng đến khả năng chuyển động của xe. Độ đàn hồi của hệthống lái được xác định bằng tỷ số góc quay đàn hồi tính trên vành lái vô lăng và mômen đặt trên vành lái. Độ đàn hồi của hệ thống lái phụ thuộc vào độ đàn hồi của cácphần tử như cơ cấu lái, các đòn dẫn động.2.3.4. Các dạng cơ cấu lái thông dụng Cơ cấu lái bánh răng – thanh răng Cơ cấu lái kiểu bánh răng – thanh ră

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LÁI

Công dụng, phân loại, yêu cầu

1.1 Công dụng của hệ thống lái

Hệ thống lái ô tô đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển hướng di chuyển của xe, giúp thay đổi hoặc duy trì hướng theo ý muốn của người lái Nó phối hợp với các hệ thống điều khiển khác để đảm bảo an toàn giao thông trong quá trình di chuyển Hệ thống lái bao gồm nhiều cụm và chi tiết, từ vành lái đến các cơ cấu điều khiển hướng di chuyển toàn bộ xe.

1.2 Phân loại hệ thống lái

• Phân loại theo phương pháp chuyển hướng

- Chuyển hướng hai bánh xe ở cầu trước (2WS)

- Chuyển hướng tất cả các bánh xe (4WS)

• Phân loại hệ thống lái theo đặc tính truyền lực

- Hệ thống lái cơ khí

- Hệ thống lái có trợ lực bằng thuỷ lực, bằng khí nén, kết hợp…

• Phân loại theo kết cấu của cơ cấu lái

- Cơ cấu lái kiểu trục vít globoit – con lăn

- Cơ cấu lái kiểu trục vít – răng rẻ quạt và trục vít – êcu bi

- Cơ cấu lái kiểu bánh răng – thanh răng

• Phân loại theo cách bố trí vành lái

- Bố trí vành lái bên trái (theo luật đi đường bên phải)

- Bố trí vành lái bên phải (theo luật đi đường bên trái)

1.3 Yêu cầu của hệ thống lái

Hệ thống lái là một trong những yếu tố quan trọng quyết định tính an toàn và ổn định chuyển động của ôtô Để đảm bảo hiệu quả hoạt động, hệ thống lái cần đáp ứng đầy đủ các yêu cầu cần thiết.

✓ Lực tác động lên vành lái nhẹ, vành lái nằm ở vị trí tiện lợi đối với người lái

Đảm bảo tính năng vận hành cao của ô tô đồng nghĩa với khả năng quay vòng nhanh chóng và linh hoạt trong thời gian ngắn, ngay cả trên diện tích hạn chế.

✓ Đảm bảo được động học quay vòng đúng để các bánh xe không bị trượt lết khi quay vòng

Hệ thống trợ lực cần có tính chất tùy động để đảm bảo sự phối hợp chặt chẽ giữa tác động của hệ thống lái và sự quay vòng của bánh xe dẫn hướng.

✓ Tránh va đập truyền ngược từ bánh xe lên vành lái

✓ Cơ cấu lái phải được đặt ở phần được treo để kết cấu hệ thống treo trước không ảnh hưởng đến động học cơ cấu lái

✓ Giữ chuyển động thẳng ổn định

✓ Hệ thống lái phải bố trí thuận tiện trong việc bảo dưỡng và sửa chữa.

Kết cấu hệ thống lái

Hình 1.1 Sơ đồ kết cấu hệ thống lái đơn giản

1 Vành lái; 2 Trục lái; 3 Cơ cấu lái; 4 Khung xe; 5 Đòn dẫn động

Vành lái là cơ cấu có dạng vành tròn Người lái tác dụng lực 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:

Trong đó: Mvl : Là mô men vành lái

Lực tác động từ người lái lên vành lái (Pl) và bán kính của vành lái (rvl) là hai yếu tố quan trọng trong việc điều khiển ô tô Mỗi loại xe đều có độ dơ nhất định ở vành lái, đặc biệt đối với xe con, độ dơ này không được vượt quá 8 độ.

Trục lái là bộ phận quan trọng trong hệ thống lái, có nhiệm vụ truyền mô men lái từ vô lăng xuống cơ cấu lái Nó bao gồm trục lái chính, giúp chuyển động quay của vô lăng, và ống trục lái, giữ cho trục lái được cố định vào thân xe Ngoài ra, trục lái còn kết hợp với cơ cấu hấp thụ va đập, đảm bảo an toàn và ổn định khi điều khiển phương tiện.

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 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

Ngoài cơ cấu hấp thụ va đập ở trục lái chính, còn có các cơ cấu điều khiển bổ sung như khoá lái để cố định trục lái, cơ cấu nghiêng cho phép điều chỉnh vị trí vô lăng theo phương thẳng đứng phù hợp với người lái, và hệ thống trượt trục lái giúp điều chỉnh chiều dài của trục lái, từ đó đạt được vị trí ngồi lái tối ưu cho người điều khiển.

Cơ cấu lái là một thành phần thiết yếu trong hệ thống lái, có chức năng chuyển đổi chuyển động quay của trục lái thành chuyển động góc của đòn quay đứng, đồng thời đảm bảo tỷ số truyền đạt yêu cầu.

Cơ cấu lái, thực chất là một hộp giảm tốc, có chức năng tăng mô men truyền từ vô lăng đến các bánh xe dẫn hướng Các thông số quan trọng của cơ cấu lái bao gồm tỷ số truyền, hiệu suất thuận và hiệu suất nghịch.

2.3.1 Tỷ số truyền cơ cấu lái

Tỷ số truyền cơ cấu lái ic là tỷ số giữa góc quay của bánh lái và góc quay của đòn quay đứng:

1: là góc quay của vô lăng

2: là góc quay của trục đòn quay đứng

Tỷ số truyền trong cơ cấu lái có thể giữ nguyên hoặc thay đổi, và quy luật thay đổi tỷ số truyền phù hợp nhất được thể hiện rõ ràng trên sơ đồ kèm theo.

Hình 1.2 Giản đồ thể hiện quan hệ giữa tỷ số truyền của cơ cấu lái và góc quay của vành tay lái

* i = góc quay của vô lăng / góc quay của bánh dẫn hướng (đối với cơ cấu lái trục răng - thanh răng )

Khi ô tô di chuyển với tốc độ cao trên đường thẳng, việc lái xe chỉ cần thực hiện những cú đánh lái nhỏ nhờ vào tỷ số truyền lớn, giúp điều khiển xe nhẹ nhàng và giảm va đập từ mặt đường lên vô lăng Ở các góc đánh lái lớn, tỷ số truyền nhỏ lại mang đến sự linh hoạt, cho phép xe quay vòng trong không gian hẹp với bán kính nhỏ Tuy nhiên, cơ cấu lái có tỷ số truyền thay đổi thường phức tạp và tốn kém, vì vậy trong các hệ thống lái có trợ lực, nên sử dụng cơ cấu lái với tỷ số truyền không đổi.

2.3.2 Hiệu suất cơ cấu lái

Trong cơ cấu lái người ta phân biệt 2 hiệu suất thuận và nghịch:

Hiệu suất thuận là chỉ số đo lường hiệu suất truyền lực từ vô lăng tới bánh xe Khi hiệu suất này cao, tổn hao năng lượng trong quá trình điều khiển sẽ giảm, giúp việc lái xe trở nên nhẹ nhàng và dễ dàng hơn.

Hiệu suất nghịch là chỉ số phản ánh lực truyền từ bánh xe lên vô lăng Để giảm thiểu lực tác động từ mặt đường lên vô lăng, việc thiết kế cơ cấu lái cần ưu tiên chọn hiệu suất nghịch ở mức thấp.

Với hiệu suất nghịch nhỏ, lực va đập từ mặt đường giảm đáng kể lên vô lăng, tạo ra ưu điểm cho cơ cấu lái Tuy nhiên, nếu hiệu suất nghịch quá thấp, vô lăng sẽ không tự trở về vị trí trung gian do thiếu mô men ổn định Do đó, trong quá trình thiết kế, cần lựa chọn hiệu suất nghịch ở mức hợp lý để đảm bảo hiệu quả hoạt động của hệ thống lái.

2.3.3 Các yêu cầu của cơ cấu lái

Phần lớn các yêu cầu của hệ thống lái đều do cơ cấu lái đảm bảo Vì vậy cơ cấu lái cần phải đảm bảo những yêu cầu sau:

+ Có thể quay được cả hai chiều để đảm bảo chuyển động cần thiết của xe

Để đạt được hiệu suất cao trong việc lái nhẹ, cần thiết phải có hiệu suất thuận lớn hơn hiệu suất nghịch, nhằm giữ lại phần lớn va đập từ mặt đường ở cơ cấu lái.

+ Đảm bảo thay đổi trị số của tỷ số truyền khi cần thiết

+ Đơn giản trong việc điều chỉnh khoảng hở ăn khớp của cơ cấu lái

+ Độ dơ của cơ cấu lái là nhỏ nhất

+ Đảm bảo kết cấu đơn giản nhất, giá thành thấp và tuổi thọ cao

+ Chiếm ít không gian và dễ dàng tháo lắp

Lực lái là lực cần thiết để quay vô lăng, đạt giá trị tối đa khi xe đứng yên và giảm dần khi tốc độ xe tăng Khi xe di chuyển với tốc độ cao nhất, lực lái sẽ ở mức tối thiểu.

Sự đàn hồi của hệ thống lái ảnh hưởng trực tiếp đến việc truyền va đập từ mặt đường lên vô lăng Độ đàn hồi cao giúp giảm thiểu va đập nhưng nếu quá mức sẽ ảnh hưởng đến khả năng điều khiển xe Độ đàn hồi được xác định qua tỷ số góc quay đàn hồi trên vành lái và mô men tác động lên vành lái Ngoài ra, độ đàn hồi còn phụ thuộc vào tính đàn hồi của các thành phần như cơ cấu lái và các đòn dẫn động.

2.3.4 Các dạng cơ cấu lái thông dụng

* Cơ cấu lái bánh răng – thanh răng

Cơ cấu lái kiểu bánh răng – thanh răng bao gồm bánh răng nằm dưới trục lái chính, kết hợp với thanh răng và được lắp trên các ổ bi Việc điều chỉnh các ổ bi này được thực hiện bằng êcu lớn, có phớt che bụi để đảm bảo trục răng quay trơn tru Thanh răng có thiết kế với răng nghiêng, phần cắt răng nằm ở giữa, trong khi phần còn lại có tiết diện tròn Khi vô lăng quay, bánh răng sẽ quay và làm cho thanh răng chuyển động tịnh tiến sang phải hoặc trái, từ đó truyền chuyển động đến đòn bên qua các đầu thanh răng, làm quay bánh xe dẫn hướng quanh trụ xoay đứng.

Hình 1.3 Cơ cấu lái kiểu bánh răng – thanh răng

Cơ cấu lái được lắp đặt trên vỏ xe nhằm tạo ra góc ăn khớp lớn cho bộ truyền răng nghiêng Trục răng được đặt nghiêng ngược chiều với thanh răng, giúp tăng cường sự ăn khớp của bộ truyền, từ đó đảm bảo hoạt động êm ái và phù hợp với vị trí của vành lái trên xe.

Các góc đặt bánh xe

Việc bố trí các bánh xe dẫn hướng có ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng điều khiển và tính ổn định chuyển động của ô tô Các yêu cầu quan trọng trong việc bố trí này là đảm bảo khả năng điều khiển chính xác.

Để đảm bảo sự ổn định cho ô tô khi di chuyển thẳng và quay vòng, đặc biệt là trong các tình huống khẩn cấp, việc điều chỉnh góc đặt bánh xe là rất quan trọng Yêu cầu này càng trở nên cấp thiết đối với xe du lịch khi vận tốc ngày càng cao Nếu người lái phải liên tục điều chỉnh vô lăng để giữ xe đi thẳng hoặc phải tác động lực lớn để quay, sẽ dẫn đến mệt mỏi và căng thẳng Do đó, các bánh xe cần được lắp đặt với các góc nhất định, phù hợp với từng loại xe và tính năng sử dụng của chúng.

Việc điều khiển xe trở nên dễ dàng hơn khi các bánh xe được đặt theo góc thiết kế chính xác Nếu các góc đặt bánh xe không đúng, có thể dẫn đến nhiều vấn đề nghiêm trọng.

+ Tính ổn định lái kém

+ Trả lái trên đường vòng kém

+ Tuổi thọ lốp giảm (mòn nhanh)

• Góc đặt bánh xe gồm các yếu tố sau :

+ Góc nghiêng ngang của bánh xe (Góc Camber)

+ Góc nghiêng dọc của trụ đứng (Góc Caster và khoảng Caster)

+ Góc nghiêng ngang trụ đứng (Góc Kingpin)

+ Góc doãng (Độ chụm và độ mở)

+ Bán kính quay vòng (Góc bánh xe, bán kính quay vòng)

3.1 Góc nghiêng ngang của bánh xe (Camber)

Góc camber là góc tạo bởi đường tâm của bánh xe dẫn hướng ở vị trí thẳng đứng với đường tâm của bánh xe ở vị trí nghiêng, được đo bằng độ Khi bánh xe dẫn hướng nghiêng ra ngoài, đó được gọi là góc camber dương, trong khi nếu nghiêng vào trong, gọi là góc camber âm Nếu bánh xe không nghiêng, camber sẽ bằng không, tức là bánh xe ở vị trí thẳng đứng.

* Chức năng của góc camber:

Trong quá khứ, bánh xe thường được điều chỉnh với góc camber dương nhằm tăng cường độ bền cho cầu trước và đảm bảo lốp tiếp xúc vuông góc với mặt đường, giúp ngăn ngừa mòn không đều do trọng lượng xe Tuy nhiên, với sự phát triển của hệ thống treo và cầu xe hiện đại cùng với mặt đường phẳng, nhu cầu về camber dương đã giảm, dẫn đến việc nhiều xe ngày nay được điều chỉnh góc camber gần bằng 0 Việc này mang lại lợi ích khi xe di chuyển trên đường vòng, giúp bánh xe tối ưu hóa khả năng truyền lực dọc và lực bên.

Góc camber giúp ngăn ngừa hiện tượng bánh xe bị nghiêng ngược lại dưới tác động của trọng lượng xe và giảm mômen tác động lên hệ thống lái Khi xe di chuyển trên đường vòng, lực ly tâm khiến thân xe nghiêng, làm cho bánh xe ngoài nghiêng vào trong và bánh xe trong nghiêng ra ngoài Để tối ưu hóa lực tiếp nhận từ mặt đường, các bánh xe cần lăn gần vuông góc với mặt đường, do đó, trên xe có tốc độ cao với hệ treo độc lập, góc camber thường được điều chỉnh âm.

3.2 Góc nghiêng dọc trụ đứng (Caster)

Góc nghiêng dọc của trụ đứng là độ nghiêng về phía trước hoặc phía sau của trụ, được đo bằng độ và xác định bằng góc giữa trụ xoay đứng và phương thẳng đứng khi nhìn từ cạnh xe Nếu trụ xoay đứng nghiêng về phía sau, gọi là caster dương; nếu nghiêng về phía trước, gọi là caster âm.

Khoảng cách từ giao điểm của đường tâm trục đứng với mặt đất đến đường tâm vùng tiếp xúc giữa lốp và mặt đường được gọi là khoảng caster

Góc caster và khoảng caster được thể hiện ở hình sau:

Hình 1.9 Caster và khoảng Caster

* Chức năng của góc caster :

Hồi vị bánh xe do khoảng Caster là hiện tượng xảy ra khi bánh xe chịu tác động của lực ly tâm khi vào đường vòng, hoặc lực từ gió bên và trọng lượng xe khi di chuyển trên đường nghiêng Tại khu vực tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường, các phản lực bên sẽ xuất hiện.

Khi trụ quay đứng nghiêng về phía sau so với chiều tiến của xe, tức là có caster dương, phản lực bên Yb của đường sẽ tạo ra một mô men ổn định với tâm tiếp xúc Mô men này được xác định bằng một công thức cụ thể.

Mômen này có xu hướng đưa bánh xe trở lại vị trí trung gian khi bị lệch, nhưng người lái cần tạo ra lực để khắc phục mômen này khi quay vòng Do đó, góc caster thường không lớn, và mômen này phụ thuộc vào góc quay vòng của bánh xe dẫn hướng Trên các xe hiện đại, góc caster thường dao động từ 0 độ đến 3 độ.

Tính ổn định khi chạy thẳng của bánh xe được cải thiện nhờ khoảng caster Giao điểm giữa trục xoay đứng và mặt đường nằm phía trước điểm tiếp xúc của lốp xe, giúp lực kéo lốp xe về phía trước Điều này làm cho lực kéo này vượt trội hơn các lực có thể gây mất ổn định, từ đó giữ cho bánh xe luôn ổn định khi di chuyển trên đường thẳng.

3.3 Góc nghiêng ngang trụ đứng (Kingpin)

Góc nghiêng ngang của trụ đứng được xác định trên mặt cắt ngang của xe, trong khi góc kingpin được hình thành từ hình chiếu của đường tâm trụ đứng trên mặt cắt ngang và phương thẳng đứng.

* Chức năng của góc kingpin:

Giảm lực đánh lái là một yếu tố quan trọng trong thiết kế hệ thống lái của xe Khi bánh xe quay sang phải hoặc quanh trụ đứng với bán kính quay r0, khoảng cách này được đo trên bề mặt đường cong ngang của bánh xe Nếu bán kính r0 lớn, sẽ tạo ra mô men lớn quanh trụ quay đứng do sự cản lăn của lốp, dẫn đến tăng lực đánh lái Để giảm lực đánh lái, giá trị của r0 cần được giảm, có thể thực hiện bằng cách tạo camber dương và nghiêng trụ quay đứng, tức là tạo góc kingpin.

Giảm thiểu sự kéo lệch và đẩy ngược là cần thiết để cải thiện hiệu suất lái xe Khi khoảng cách lệch r0 quá lớn, phản lực tác động lên bánh xe khi di chuyển hoặc phanh sẽ tạo ra mômen quanh trụ đứng, dẫn đến việc bánh xe bị kéo sang một phía có phản lực lớn hơn Điều này cũng gây ra sự dao động mạnh của vô lăng do các va đập từ mặt đường Mômen này tỷ lệ thuận với độ lớn của khoảng lệch; khi khoảng lệch gần bằng 0, mômen sẽ nhỏ hơn, giúp vô lăng chịu ít ảnh hưởng hơn từ lực phanh và va đập, cải thiện sự ổn định trong quá trình lái xe.

Cải thiện tính ổn định khi chạy thẳng là một yếu tố quan trọng trong thiết kế bánh xe, và góc kingpin đóng vai trò then chốt trong việc này Góc kingpin giúp các bánh xe tự động trở về vị trí chạy thẳng sau khi quay vòng Vấn đề trở về vị trí thẳng sau khi quay vòng liên quan đến mômen phản lực từ mặt đường tác động lên bánh xe, hay còn gọi là mômen ngược Giá trị của mômen ngược này phụ thuộc vào độ lớn của góc kingpin, ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng điều khiển và ổn định của phương tiện.

3.4 Độ chụm và độ mở (Góc doãng)

Dẫn động lái

Dẫn động lái là hệ thống bao gồm các chi tiết truyền lực từ cơ cấu lái đến ngõng quay của bánh xe, đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển phương tiện Để hoạt động hiệu quả, dẫn động lái cần đảm bảo các chức năng chính như truyền lực chính xác và ổn định, giúp người lái dễ dàng điều khiển xe trong mọi tình huống.

+ Nhận chuyển động từ cơ cấu lái tới các bánh xe dẫn hướng

Để đảm bảo hiệu suất tối ưu, cần thiết lập quay vòng cho các bánh xe dẫn hướng mà không xảy ra hiện tượng trượt bên lớn, đồng thời tạo mối liên kết giữa chúng Hình thang lái, bao gồm cầu trước, đòn kéo ngang và đòn kéo bên, là phần tử cơ bản của hệ thống dẫn động lái Nhờ vào cấu trúc này, khi người lái quay vô lăng, các bánh xe dẫn hướng sẽ quay theo một góc nhất định, đảm bảo tính chính xác và ổn định khi điều khiển phương tiện.

• Quan hệ hình học của ACKERMAN

Quan hệ hình học của Ackerman mô tả mối liên hệ giữa góc quay của các bánh xe dẫn hướng và trục đứng, với giả định rằng tâm quay vòng tức thời của xe nằm trên đường kéo dài của tâm trục cầu sau.

Để đảm bảo quay vòng chính xác, các bánh xe dẫn hướng trên cùng một cầu cần quay theo các góc α và β khác nhau Mối quan hệ hình học giữa các góc này được xác định bởi công thức: cotg α - cotg β = B0 / L.

Trong đó : - L : chiều dài cơ sở của xe

- B0 : khoảng cách của hai đường tâm trụ quay đứng

Để đảm bảo điều kiện quay của bánh xe dẫn hướng α, β, xe sử dụng cơ cấu hình thang lái 4 khâu, hay còn gọi là hình thang lái Đantô Mặc dù hình thang lái Đantô chỉ áp dụng gần đúng điều kiện này, nhưng nhờ vào cấu trúc đơn giản, nó được sử dụng rất phổ biến Mỗi loại xe có kích thước và vị trí đòn của cơ cấu 4 khâu được thiết kế sao cho sai lệch trong quan hệ hình học với quan hệ hình học Ackerman chỉ nằm ở góc quay bánh xe dẫn hướng lớn Giá trị sai lệch so với lý thuyết dao động từ 0 độ 30 phút đến 1 độ khi bánh xe dẫn hướng ở vùng quay vòng gấp.

* Có hai phương pháp bố trí dẫn động lái điển hình:

- Đối với dầm cầu liền, hệ thống treo phụ thuộc thì cấu tạo của hình thanh lái Đantô như sau:

Dầm cầu đứng là một phần quan trọng trong cấu trúc, giữ vai trò cố định cho hệ thống Hai đòn bên có nhiệm vụ dẫn động các bánh xe, trong khi đòn ngang kết nối các đòn bên thông qua các khớp cầu (rotuyl lái) Các đòn bên hoạt động xoay quanh trục tâm của trụ đứng.

Phương pháp bố trí được trình bày như hình dưới đây:

Hình 1.15 Cơ cấu 4 khâu khi có dầm cầu liền a Đòn kéo ngang khi có dầm cầu liền b Đòn kéo ngang nằm trước dầm cầu

- Trên hệ thống treo độc lập, số lượng các đòn và khớp tăng lên nhằm đảm bảo các bánh xe dịch chuyển độc lập với nhau

Số lượng các đòn trong cơ cấu lái phụ thuộc vào kết cấu, vị trí và hệ thống treo, nhưng vẫn phải tuân thủ quan hệ hình học Ackerman, gần giống với hình thang lái Đantô.

Hiện nay trên xe con thông dụng là hệ thống treo độc lập, do vậy dẫn động lái có rất nhiều đòn và khớp

Hình 1.16 Cơ cấu đòn ngang nối liên kết với hệ thống treo độc lập a Đòn ngang nối nằm sau dầm cầu b Đòn ngang nối nằm trước dầm cầu

Xe tải thường sử dụng hệ thống treo phụ thuộc và hình thang lái Đantô Đối với các loại xe tải hạng nặng, siêu trường và siêu trọng, hệ thống lái thường là dẫn động hai cầu trước với bốn bánh dẫn hướng và hai hình thang lái bốn khâu Đantô, như trên xe Huyndai 18 tấn.

Hình 1.17 Bố trí hai cầu trước dẫn hướng

Tỷ số truyền của hệ thống dẫn động lái được xác định bởi kích thước và mối quan hệ giữa các cánh tay đòn Hiện nay, tỷ số truyền của các dẫn động lái thường dao động trong khoảng từ 0,85 đến 1,1.

* Cấu tạo các khớp, đòn, giảm chấn của dẫn động lái

- Khớp cầu: Khớp cầu dùng trong hệ thống lái có 2 dạng:

Khớp cầu bôi trơn thường xuyên và khớp cầu bôi trơn một lần là hai loại khớp cầu phổ biến hiện nay Đối với xe con, khớp cầu thường là loại không cần bảo dưỡng, trong khi đó xe tải sử dụng khớp cầu bôi trơn thường xuyên Các loại khớp cầu bôi trơn một lần bao gồm khớp có bạc kim loại, bạc nhựa và bạc cao su Trong hệ thống lái có đòn quay, các đòn phụ chỉ đảm nhận mối quan hệ dịch chuyển hình học, do đó khớp cầu có bạc cao su thường được sử dụng Khớp cầu với bạc nhựa liền khối có độ biến dạng rất nhỏ, chịu ma sát tốt và giá thành hợp lý, nên được ưa chuộng trên các xe con hiện nay.

Khớp cầu có bạc kim loại chỉ dùng trên các xe thể thao vì yêu cầu độ bền cao

Các đòn dẫn động lái thường có hai dạng chính: dạng cố định (hình thang lái) và dạng có thể điều chỉnh chiều dài (đòn kéo dọc) Hình dạng của các đòn này phụ thuộc vào vị trí, kết cấu và không gian cho phép, nhưng chủ yếu có tiết diện tròn và rỗng Đặc biệt, các đòn kéo dọc, dùng để điều chỉnh độ chụm của bánh xe, có hai đầu là khớp cầu, với ren ngược chiều nhau trên thân để dễ dàng điều chỉnh Thân khớp cầu được kết nối với các đòn qua các bề mặt và được hãm bằng chốt chẻ.

Giảm chấn trong hệ thống lái là yếu tố quan trọng để nâng cao chất lượng xe Nhiều loại xe hiện nay sử dụng giảm chấn để cải thiện khả năng điều khiển Đặc biệt, trong hệ thống lái có cường hoá, chức năng cường hoá cũng đóng vai trò như một giảm chấn, giúp tăng cường sự ổn định và an toàn khi lái.

Tác dụng của giảm chấn là dập tắt các dao động từ mặt đường lên vành tay lái, ổn định vành lái khi đi trên đường xấu.

Trợ lực lái

5.1 Tổng quan về trợ lực lái

Lực cản quay vòng của xe tỉ lệ thuận với trọng lượng phân bổ lên cầu trước, dẫn đến việc xe có trọng tải lớn sẽ gặp lực cản quay vòng lớn hơn Khi lực cản này tăng đến một mức nhất định, người lái sẽ không thể điều khiển vô lăng hiệu quả Do đó, cần có một bộ phận hỗ trợ, được gọi là trợ lực lái, để giúp người lái dễ dàng quay vòng xe.

Hệ thống trợ lực lái yêu cầu nguồn năng lượng, van điều khiển và bộ phận sinh lực với độ chính xác cao, khiến cho chi phí sản xuất cao và thường chỉ được trang bị trên xe tải lớn Tuy nhiên, nhờ vào sự tiến bộ của công nghệ, giá thành các chi tiết đã giảm, cùng với nhu cầu ngày càng cao về tính tiện nghi cho người lái, nên hiện nay trợ lực lái đã được áp dụng rộng rãi trên cả xe tải nhỏ và xe du lịch.

Các nguồn năng lượng cung cấp cho hệ thống trợ lực lái bao gồm chất lỏng áp suất cao, khí nén và điện Dựa trên nguồn năng lượng này, có các loại trợ lực lái khác nhau như trợ lực thủy lực, trợ lực khí nén và trợ lực điện.

- Trợ lực thủy lực được dùng nhiều hơn cả vì kết cấu gọn, dễ bố trí

Trợ lực khí nén hoạt động theo nguyên tắc tương tự như trợ lực thủy lực, nhưng do áp suất khí nén, cấu trúc của nó trở nên cồng kềnh hơn Vì lý do này, trợ lực khí nén ít được sử dụng trong thực tế.

Trợ lực điện có thiết kế gọn nhẹ, tuy nhiên, bộ phận sinh lực chủ yếu là động cơ điện, điều này khiến việc đảo chiều trở nên khó khăn do rô to có mô men quán tính nhất định Vì lý do này, trợ lực điện ít được ứng dụng trong thực tế.

* Trợ lực lái phải đảm bảo các yêu cầu sau:

Khi bộ phận trợ lực lái gặp sự cố, hệ thống lái vẫn hoạt động, nhưng người lái cần phải tác động nhiều hơn để điều khiển vô lăng Dù vậy, người lái vẫn có khả năng điều khiển xe về nơi sửa chữa.

- Phải đảm bảo cảm giác cho người lái khi lái xe:

+ Bộ cường hóa chỉ bắt đầu hoạt động khi lực tác dụng lên vô lăng đạt được một giá trị nhất định ( khoảng 20N )

+ Lực trên vô lăng tỷ lệ thuận với lực cản quay vòng Để lái thuận tiện trung bình lực trên vô lăng khoảng 40 – 70 N, cực đại khoảng 100 –

5.2 Kết cấu trợ lực lái

Một số sơ đồ hệ thống lái có trợ lực:

Sơ đồ 1 Cơ cấu lái, van phân phối và xi lanh lực được bố trí riêng rẽ

1 Nguồn cung cấp chất lỏng; 2 Xi lanh lực; 3 Cơ cấu lái;

4 Van phân phối; 5,6,7,8 Đường dầu

Sơ đồ 2 Cơ cấu lái và van phân phối được bố trí trên cùng một khối

Sơ đồ 3 Van phân phối và xi lanh lực được bố trí trên cùng một khối

Sơ đồ 4 Bố trí trợ lực lái cùng với đòn kéo ngang

Van phân phối trong hệ thống lái được điều khiển bởi tín hiệu từ vô lăng, phản ánh góc quay và lực tác dụng lên vô lăng Tương tự như các bộ trợ lực khác, van phân phối đảm bảo tính chép hình cho hệ thống, duy trì tỉ lệ thuận giữa lực điều khiển trên vô lăng và áp suất chất lỏng đến xi lanh lực.

Khi thực hiện quay vòng sang phải, van phân phối kết nối đường dầu 6 với đường dầu 8 và đường dầu 5 với đường dầu 7, cho phép chất lỏng từ bơm di chuyển đến khoang dưới của xi lanh lực đẩy.

8 piston đi lên, đẩy bánh dẫn hướng quay sang phải Dầu ở khoang trên xi lanh lực sẽ theo đường 6 về đường 8 và hồi về bơm

Bơm thủy lực, được kéo bởi động cơ ô tô, là nguồn cung cấp chính cho hệ thống, cung cấp chất lỏng áp suất cao Bộ phận sinh lực trong hệ thống là xi lanh lực, và chất lỏng sử dụng là dầu thủy lực.

Nguồn cung cấp hệ thống thủy lực bao gồm bơm thủy lực, bình chứa dầu, van an toàn và ắc quy thủy lực Các loại bơm thủy lực phổ biến là bơm cánh gạt và bơm bánh răng, với áp suất chất lỏng có thể đạt từ 0,4 đến 0,6 MN/m².

- Nguyên lý làm việc của bơm cánh gạt :

Bơm cánh gạt bao gồm các bộ phận chính như vòng cam, rô to, cánh gạt và van điều khiển lưu lượng Khi rô to quay bên trong vòng cam, vòng cam gắn chặt với vỏ bơm Rô to có các rãnh để chứa cánh gạt, với vòng ngoài của rô to có hình tròn và mặt trong của vòng cam có hình ôvan, tạo ra khe hở giữa chúng Các rãnh gạt phân chia khe hở này thành các buồng dẫn, giúp tối ưu hóa quá trình bơm.

Hình 1.18 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của bơm cánh gạt

Các cánh gạt trong bơm hoạt động nhờ lực ly tâm và áp suất dầu, tạo ra sự kín khít giữa cánh gạt và vòng cam, giúp duy trì áp suất cao mà không bị rò rỉ Khi bơm hoạt động, thể tích buồng dầu tăng tại cửa hút, cho phép dầu từ bình chứa được hút vào Đồng thời, thể tích buồng dầu giảm ở phía bơm, đẩy dầu ra ngoài qua cửa bơm Bơm có hai cửa hút và hai cửa bơm, nên mỗi vòng quay của rôto sẽ hút và đẩy dầu hai lần.

Bộ phận sinh lực, bao gồm xi lanh, pittông và cần pittông, được gọi là xi lanh lực, có chức năng chuyển đổi áp suất chất lỏng thành lực tác động vào hệ thống lái, giúp quay bánh xe khi xe di chuyển Xi lanh lực có thể được bố trí độc lập hoặc kết hợp với van phân phối và cơ cấu lái, tùy thuộc vào thiết kế của hệ thống.

Van phân phối, hay còn gọi là van điều khiển, có vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh dòng chất lỏng đến xi lanh lực, phù hợp với các trạng thái quay vòng như sang trái, sang phải hoặc đi thẳng Một yêu cầu thiết yếu của van phân phối là đảm bảo tính chép hình cho hệ thống lái, tức là góc quay của bánh xe dẫn hướng phải tương ứng với góc quay của vô lăng, đồng thời lực tác động lên vô lăng cũng phải tương thích với lực cản khi quay vòng.

Van phân phối trên trợ lực lái thường có 2 loại: loại van trượt và loại van xoay

Van điều khiển kiểu xoay trong cơ cấu lái có vai trò quan trọng trong việc định hướng dòng dầu từ bơm đến các buồng khác nhau Trục van điều khiển, chịu tác động của mô men từ vô lăng, được kết nối với trục răng thông qua một thanh xoắn Van xoay và trục răng liên kết với nhau bằng một chốt, cho phép chúng quay đồng thời Khi có áp suất dầu, thanh xoắn sẽ bị xoắn tối đa, khiến trục van điều khiển tiếp xúc với trục răng tại vấu chặn, từ đó mô men từ trục van điều khiển được truyền thẳng đến trục răng.

Hình 1.19 Van điều khiển kiểu xoay

TÍNH TOÁN HỆ THỐNG LÁI

Các số liệu thiết kế

• Các thông số cơ bản của xe:

Chiều rộng cơ sở: B = 1650 (mm)

Khoảng cách giữa hai tâm trụ đứng: B0 = 1510 (mm)

Chiều dài cơ sở của xe: L = 2650 (mm)

Chiều dài toàn bộ xe: L0= 4489 (mm)

Trọng lượng tác dụng lên cầu trước dẫn hướng: G1 = 13600 (N)

Trọng lượng tác dụng lên một bánh dẫn hướng: Gbx = 6800 (N)

• Thông số hệ thống lái:

Khối van Bơm điều khiển

Chiều dài đòn bên hình thang lái: m = 180 (mm)

Khoảng cách giữa đòn ngang và trụ trước: y = 188 (mm)

Chiều dài thanh nối bên hình thang lái: p = 280 (mm)

2 Chọn phương án thiết kế Đặc điểm xe ô tô con 7 chỗ :

- Vận hành trên mặt đường tốt, điều kiện thuận lợi

2.1 Chọn phương án dẫn động lái

Dẫn động lái bao gồm tất cả các cơ cấu truyền lực từ cơ cấu lái đến ngõng quay của các bánh xe dẫn hướng

Hình thang lái là phần tử cơ bản trong hệ thống dẫn động lái của ôtô Trong các ôtô có hệ thống treo trước độc lập và cơ cấu lái kiểu trục răng thanh răng, thanh răng có thể đảm nhận chức năng của thanh lái ngang trong hình thang lái Quá trình quay vòng của ôtô rất phức tạp, và việc đảm bảo mối quan hệ động học giữa các bánh xe phía trong và ngoài khi quay là một thách thức lớn Hiện nay, mối quan hệ động học này thường được đáp ứng gần đúng thông qua hệ thống khâu khớp và đòn kéo tạo thành hình thang lái Chúng tôi lựa chọn phương án dẫn động lái 6 khâu cho hệ thống treo độc lập.

Hình 2.1 Sơ đồ dẫn động lái

2.2 Chọn phương án cơ cấu lái

Hiện nay trên các xe chủ yếu sử dụng hai loại cơ cấu lái là cơ cấu lái loại trục răng

- thanh răng và cơ cấu lái loại bi tuần hoàn

* Cơ cấu lái trục răng – thanh răng có những ưu điểm sau:

Cơ cấu lái đơn giản và gọn nhẹ, nhờ vào kích thước nhỏ của nó Thanh răng hoạt động như một thanh dẫn động lái, giúp loại bỏ sự cần thiết của các đòn kéo ngang như trong các cơ cấu lái khác.

Tay lái nhẹ nhờ vào sức cản trượt và cản lăn nhỏ, cùng với khả năng truyền mô men hiệu quả Dựa trên điều kiện làm việc của ô tô, phương án cơ cấu lái được lựa chọn là loại trục răng thanh răng.

Hình 2.2 Sơ đồ chung của hệ thống lái thiết kế

1 Đòn quay ngang; 2 Khớp cầu; 3 Cơ cấu lái; 4 Thanh dẫn động;

5 Vành tay lái; 6 Trục lái

Thiết kế hệ thống lái

3.1 Tính mô men cản quay vòng

Mômen cản quay vòng ở các bánh xe dẫn hướng được xác định khi xe quay vòng và chở đủ tải, với lực cản lăn ở hai bánh xe ngược chiều nhau và một lực bên Y Mômen cản quay vòng trên một bánh xe dẫn hướng Mc được tính bằng tổng của mômen cản lăn M1, mômen ma sát giữa bánh xe và mặt đường M2, và mômen ổn định M3 do các góc đặt của bánh xe và trụ đứng gây ra.

3.1.1 Mô men cản quay vòng M 1 gây nên do lực cản lăn

- M1 được tính theo công thức:

+ a: cánh tay đòn của lực Pf quay xung quanh trụ đứng

Với xe thiết kế ta đo được a = 45 (mm) = 0,045 (m)

+ f: hệ số cản lăn xét cho trường hợp ô tô chạy trên đường nhựa và khô f = 0,02

Hình 2.3 Sơ đồ trụ đứng nghiêng trong mặt phẳng ngang

3.1.2 Mô men cản M 2 do ma sát giữa bánh xe và mặt đường

Giá trị mômen do Y tác động lên M2 được xác định cho một bánh xe, với phản lực bên lùi tại một đoạn x Đoạn x được tính bằng 1/4 chiều dài vết tiếp xúc, và điều này dẫn đến mômen quay M1 cùng chiều.

M2 = Y x (2.3) Trong đó: + x là khoảng cách từ tâm vết tiếp xúc với hợp lực ma sát: x=0,5 r 2 −r bx 2 (2.4) Với r là bán kính tự do của bánh xe dẫn hướng:

2 r =    B +  d    (mm) (2.5) Với bánh xe có ký hiệu 215/70 R16 ta tính được:

215 16 25, 4 0, 4 r =    + 2     = (m) + rbx là bán kính làm việc trung bình của bánh xe: r bx =.r => r bx =0,96.r (2.6)

Với y = 0,85: hệ số bám ngang giữa bánh xe và mặt đường

Hình 2.4 Sơ đồ lực ngang tác dụng lên bánh xe khi xe quay vòng

+ Mômen ổn định M3 có giá trị nhỏ nên khi tính có thể dùng hệ số 

• Mômen cản tổng cộng trên cầu trước dẫn hướng được tính toán như sau:

Mc = 2.(M1 + M2 ) / t = 2 Gbx (f.a + 0,14.y.r) / t (2.8) Giá trị  theo kinh nghiệm 1,07 - 1,15 Chọn  = 1,1

 t = 0,5 - 0,7 hiệu suất tính đến tổn hao ma sát, chọn  t = 0,7

Thay số vào (2.8) ta có: Mc = 1040 (N.m)

3.2 Tỷ số truyền của hệ thống lái

3.2.1 Tỷ số truyền của dẫn động lái i d

Tỷ số truyền của dẫn động lái phụ thuộc vào kích thước và quan hệ của các cánh tay đòn: id = 0,85-1,1

Chọn sơ bộ: id =1 ( cho cầu dẫn hướng )

3.2.2 Tỷ số truyền của cơ cấu lái i c

Ta có công thức: ’max = max.i (2.9) Trong đó :

+ ’max: gọi là vòng quay vành lái lớn nhất tính từ vị trí đi thẳng

Với xe thiết kế là xe du lịch ta chọn  ’ max = 1,75 (vòng)

+ max: góc quay vòng lớn nhất của bánh xe dẫn hướng ( 40 o )

Ta lấy sơ bộ tỷ số truyền của hệ thống lái i

Tính lại ’max,ta có:  maz ' =i. max 40d0 o =1,78(vòng), phù hợp với tiêu chuẩn thiết kế

Do tỷ số truyền của dẫn động lái id=1, nên tỷ số truyền của cơ cấu lái ic = 16

3.2.3 Xác định lực tác động lớn nhất ở vành tay lái

+ Mc: là mô men cản quay vòng Mc40 (Nm)

+ Pmax là lực tác dụng lớn nhất lên vành tay lái

+ il: là tỷ số truyền của hệ thống lái

+ R: là bán kính vành lái, R0 (mm)

+ : là hiệu suất của hệ thống lái =0,8

Hệ thống trợ lực lái là cần thiết để giảm thiểu sự mệt mỏi cho người lái trong quá trình điều khiển xe trong thời gian dài, mang lại sự thoải mái và dễ dàng hơn khi lái.

3.3 Chọn phương án cường hóa lái

Với thực tế và những vấn đề về cường hóa lái đã được giới thiệu ở phần trước, ta chọn phương án thiết kế cường hóa như sau:

- Phương án cường hóa lái là cường hóa thủy lực

- Chọn bơm là bơm cánh gạt

- Phương án bố trí là sơ đồ 4: Bố trí trợ lực cùng với đòn kéo ngang

- Chọn van điều khiển là loại van xoay

Khi lựa chọn phương án cơ cấu lái là trục răng – thanh răng và dẫn động lái 6 khâu, chúng ta có thể thiết kế sơ đồ bố trí chung cho hệ thống lái một cách hiệu quả.

Hình 2.5 Sơ đồ bố trí chung hệ thống lái thiết kế

* Nguyên lý hoạt động của hệ thống:

Khi quay vành lái, lực từ vành lái được truyền qua trục lái tới trục răng của cơ cấu lái, tạo ra mô men làm quay trục răng và di chuyển thanh răng sang trái hoặc phải Qua thanh dẫn động và đòn quay bên, lực này khiến bánh xe xoay sang phải hoặc trái, thay đổi hướng chuyển động của ôtô Khi lực tác động vào vành tay lái đạt đến một giá trị xác định, cường hóa lái sẽ bắt đầu hoạt động và tạo ra lực để quay các bánh xe dẫn hướng.

3.4 Tính các thông số hình học của dẫn động lái

3.4.1 Tính động học hình thang lái

Tính động học dẫn động lái có nhiệm vụ xác định các thông số tối ưu của hình thang lái, nhằm đảm bảo sự quay vòng chính xác của các bánh xe dẫn hướng Đồng thời, nó cũng cần đảm bảo động học đúng của đòn quay đứng khi bộ phận đàn hồi của hệ thống treo bị biến dạng, và lựa chọn các thông số cần thiết cho hệ thống dẫn động lái.

Hình 2.6 Sơ đồ động học khi xe quay vòng

Khi các bánh xe dẫn hướng quay vòng, hệ thống lái cần đảm bảo mối quan hệ giữa góc quay của bánh xe dẫn hướng bên ngoài và bên trong so với tâm quay vòng.

+: Là góc quay của bánh xe dẫn hướng ngoài

+ : Là góc quay của bánh xe dẫn hướng trong

+ L : Là chiều dài cơ sở của xe

+ Bo: Là khoảng cách giữa hai tâm trụ đứng

➢ Trường hợp xe đi thẳng

Hình 2.7 Sơ đồ dẫn động lái khi xe đi thẳng

Từ sơ đồ dẫn động lái trên ta có thể tính được mối liên hệ giữa các thông số theo các biểu thức sau: X =B−2.(m.cos+ p.cos) (2.12)

Công thức thay thế cho ta là: X = B - 2.(m.cosθ + p² - (y - m.sinθ)²) Các đòn bên tạo với phương ngang một góc θ Khi ôtô quay vòng với các bán kính khác nhau, hình thang lái đantô không hoàn toàn đáp ứng được yêu cầu.

Tuy nhiên ta có thể chọn một kết cấu hình thang lái cho sai lệch với quan hệ lý thuyết trong giới hạn cho phép, không vượt quá 1 o

➢ Trường hợp khi xe quay vòng

Hình 2.8 Sơ đồ dẫn động khi xe quay vòng

Ta có các thông số như trên hình vẽ

Từ sơ đồ ta có mối quan hệ của các thông số như sau:

Từ quan hệ hình học trong tam giác ACD ta có:

BC 2 = AC 2 + AB 2 − 2 AB AC cos 

Thay vào biểu thức trên ta có:

Từ mối quan hệ hình học trong tam giác ACD ta có:

AD y AD tg = CD AD arctg y

Thay vào ta có biểu thức sau: arccos +

3.4.2 Xây dựng đường đặc tính lý thuyết

Ta có mối quan hệ của các góc quay bánh xe dẫn hướng như sau:

Cho  các giá trị khác nhau tư 5 – 40, ta có các góc  tương ứng theo bảng:

Từ bảng giá trị thu được ta xây dựng được đồ thị quan hệ lý thuyết:

Hình 2.9 Đồ thị đường đặc tính lý thuyết

3.4.3 Xây dựng đường đặc tính thực tế Để xây dựng đường cong đặc tính hình thang lái thực tế ta phải xây dựng đường cong biểu thị hàm số  = f (,) Ta có mối quan hệ giữa các thông số đó như sau: arccos +

Theo các thông số lấy trên xe tham khảo ta có:

-  = 76 o : góc tạo bởi đòn bên hình thang lái và phương ngang

- m = 180(mm): chiều dài đòn bên hình thang lái

- y = 188(mm): khoảng cách giữa đòn ngang với trục trước trong hình thang lái

- p = 280(mm): chiều dài thanh nối bên hình thang lái

Cho lần lượt  t o ,75 o ,76 o ,77 o ,78 o ta có được bảng số liệu sau:

0 5 10 15 20 25 30 35 40 α β Đồ thị đặc tính hình thang lái ở các góc ϴ khác nhau alpha lý thuyết alpha 1 alpha 2 alpha 3 alpha 4 alpha 5

Ta xõy dựng đồ thị quan hệ  và  thực tế và lý thuyết trờn cựng đồ thị như sau:

Hình 2.10 Đường đặc tính thực tế

 Ta thấy chỉ có  = 75 o thì   1 o

Với góc  = 75 độ, đường cong thực tế đạt gần nhất với đường cong lý thuyết, đồng thời đáp ứng điều kiện về sai lệch giữa lý thuyết và thực tế.

Vì vậy ta chọn được u 0 , ứng với góc quay vòng lớn nhất của bánh xe dẫn hướng là  max @ o và  max ',7 0 Độ dài thanh kéo ngang:

3.5 Kiểm tra các thông số hình học của cơ cấu lái

Theo sơ đồ dẫn động lái, khi bánh xe dẫn hướng quay được một góc  max @ o thì thanh răng dịch chuyển một đoạn X1

Do thanh răng quay về cả hai bên nên chiều dài làm việc của thanh răng

Do đó ta chọn chiều dài làm việc của thanh răng là L 5(mm), để đảm bảo khi xe quay vòng hết thì thanh răng vẫn không bị chạm

3.5.1 Xác định bán kính vòng lăn của bánh răng

Số vòng quay của vành lái ứng với bánh xe quay là n =1,78 (vòng)

3.5.2 Xác định các thông số của bánh răng

Tính số răng theo tài liệu chi tiết máy cos 

- Đường kính vòng chia Dc =2.R = 18,2 (mm)

- mn: mô đun pháp tuyến của bánh răng, chọn theo tiêu chuẩn mn = 2,5

- Góc nghiêng ngang của bánh răng, chọn sơ bộ  o

Ta có số răng của bánh răng là:

Tính lại góc nghiêng ta có: o c n

Mô đun ngang của bánh răng:

Như vậy Zmin>6, do vậy có hiện tượng cắt chân răng nên phải dịch chỉnh, ta chọn kiểu dịch chỉnh đều  = 0

Từ đó ta tính được các thông số của bộ truyền bánh răng:

❖ Góc ăn khớp của bánh răng được chọn theo chi tiết máy = 20 o

❖ Đường kính cơ sở của bánh răng:

❖ Chiều dày của răng trên vòng chia: mm tg tg m m

3.5.3 Xác định kích thước và thông số của thanh răng Đường kính của thanh răng được cắt tại mặt cắt nguy hiểm nhất:

- Ứng suất tiếp xúc cho phép tại tiết diện nguy hiểm nhất, lấy

- Mô mem xoắn gây lên sự nguy hiểm ở thanh răng, bằng mô mem cản quay vòng ở bánh xe: Mx=Mc40 (Nm)

Thay các thông số vào ta được:

❖ Chiều dài đoạn làm việc của thanh răng L5 mm

Hệ số dịch chỉnh thanh răng:

❖ Đường kính vòng chia của thanh răng:

❖ Đường kính vòng đỉnh của thanh răng: D&mm

❖ Chiều cao của thanh răng: h=(f ’ +f ” ).mn=(1+1,25).2,5=5,63

3.6 Tính bền cơ cấu lái bánh răng - thanh răng

3.6.1 Xác định lực tác dụng lên bộ truyền bánh răng – thanh răng

- Lực vòng cực đại tác dụng lên bánh răng:

- Lực hướng tâm cực đại tác dụng lên bánh răng theo công thức:

- Lực dọc lớn nhất tác dụng lên bánh răng:

Trong quá trình làm việc, thanh răng và bánh răng phải chịu các ứng suất uốn, ứng suất tiếp xúc và tải trọng va đập từ mặt đường, dẫn đến hiện tượng rạn nứt chân răng Hiện tượng này ảnh hưởng nghiêm trọng đến độ bền và độ tin cậy của cơ cấu lái Để đảm bảo yêu cầu làm việc của cơ cấu lái, vật liệu chế tạo thanh răng và bánh răng thường được sử dụng là thép 40X đã được tôi cải thiện.

• Giới hạn bền tiếp xúc của bánh răng:

• Ứng suất tiếp xúc cho phép của bánh răng:

+ SH: Hệ số an toàn, lấy SH =1,1

+ ZR: Hệ số xét ảnh hưởng của độ nhám, ZR = 0,95

+ ZV: Hệ số xét ảnh hưởng của vận tốc vòng, ZV =1,1

+ KXH: Hệ số xét ảnh hưởng của kích thước bánh răng, KXH =1

+ KF: Hệ số xét ảnh hưởng của độ bôi trơn, KF =1

Thay các thông số ta được:

• Giới hạn bền uốn của bánh răng:

 FLim = F 0 K FL K FC (2.31) Chọn KFL=1, với bộ truyền quay 2 chiều ta chọn:

• Ứng suất uốn cho phép:

+ SF: Hệ số an toàn, lấy SF =1,7

+ YS: Hệ số xét tới ảnh hưởng của mô đun với m = 2,5

• Kiểm nghiệm răng về độ bền tiếp xúc:

Theo công thức 6.33 trang 105 [4] ta có: c

Hệ số ZM phản ánh cơ tính vật liệu của các bánh răng ăn khớp, theo bảng 6.5 trang 96 [4] Đối với vật liệu bánh răng bằng thép, giá trị ZM được xác định là 274 (Mpa 1/3).

+ ZH: Hệ số kể đến hình dạng bề mặt tiếp xúc

+Z  : Hệ số kể đến sự trùng khớp của răng

+   : Hệ số trùng khớp ngang

+ d  : Đường kính thanh răng, d  & (mm)

+ ic: Tỷ số truyền của cơ cấu lái ic = 16

+ T: Mô men tác dụng từ trục răng T =P v Rh80.7,85T000 (Nmm)

Thay các thông số vào công thức ta được:

Do đó thỏa mãn điều kiện bền tiếp xúc

• Kiểm nghiệm răng về độ bền uốn: Ứng suất uốn được tính theo công thức: b d m

Với YF1,YF2 là hệ số dạng răng

Thay các thông số đã có vào công thức ta được:

Vậy điều kiện được thỏa mãn, bộ truyền bánh răng – thanh răng đảm bảo đủ bền trong quá trình làm việc

Trục lái làm bằng thép rỗng được tính theo ứng suất xoắn do lực tác dụng trên vành tay lái:

Plmax: Lực lái lớn nhất tác dụng lên vô lăng Plmax = 430 (N)

D, d : Đường kính trong và đường kính ngoài của trục lái R: Bán kính vành tay lái R = 190 (mm)

Chọn vật liệu chế tạo trục lái là thép C40 không nhiệt luyện, phôi chế tạo là phôi thép ống, ứng suất tiếp xúc cho phép   P80MN/m 2

Chọn sơ bộ kích thước của trục lái là: D0 (mm), d= 20 (mm)

Thay những thông số trên vào công thức (2.36) ta được:

→    thoả mãn điều kiện cho phép

Vậy ta chọn kích thước sơ bộ là kích thước thiết kế

Với trục lái xe thiết kế, dựa trên số liệu thực tế ta chọn chiều dài của trục lái: L00 (mm)

Ta cần tính toán trục lái theo độ cứng vững (góc xoắn trục) theo công thức:

+ L: Chiều dài của trục lái (m) + G: Mô đun đàn hồi dịch chuyển (G=8.10 4 MN/m 2 ) +  max đổi ra không được vượt quá(5,5 0 7,5 0 )/1m

Thay số vào ta được: 0,016

Thoả mãn tiêu chuẩn thiết kế

Vậy ta chọn trục lái rỗng, có chiều dài là 1(m)

3.8 Tính bền đòn kéo ngang

Trong quá trình làm việc, đòn kéo ngang chỉ chịu kéo nén theo phương doc trục

Do vậy khi tính bền ta chỉ cần tính kéo, nén và lực tác dụng từ bánh xe Tính bền đòn kéo ngang theo chế độ phanh cực đại

G1600 N: Tải trọng đặt lên cầu trước dẫn hướng trong trạng thái tĩnh m1p = 1,4: Hệ số phân bố lại trọng lượng lên cầu trước khi phanh

 : Hệ số bám giữa lốp và mặt đường

Thay vào biểu thức ta được: P = 13600.1,4.0,85 = 16184 (N)

Hình 2.11 Sơ đồ phân bố lực phanh

Qua sơ đồ phân tích lực ta có:

AB, c: là các kích thước trên hình vẽ

Q =Q  = = N Ứng suất nén dọc của thanh ngang liên kết được xác định theo công thức: t n F

P = Q1 = 5608,38(N): Lực tác dụng theo phương của đòn ngang

Diện tích của thanh ngang 294 , 38 ( )

F t = D − = − = Đòn kéo ngang được chế tạo bằng thép ống 40X, có đường kính ngoài và trong lần lượt là: D mm; d=5mm

Với hệ số dự trữ bền ổn định n =1,5 ta có   56 , 67 ( / )

Thay số vào ta được: 5608.38 19, 05( / 2 ) 19, 05( / 2 )

Vậy đòn kéo ngang đảm bảo độ bền và ổn định

3.9 Tính bền đòn bên hình thang lái Để đảm bảo an toàn và tính ổn định trong quá trình làm việc, đòn bên được làm bằng thép 40X Đòn bên của dẫn động lái chủ yếu chịu ứng suất uốn

Do vậy ta tính bền theo điều kiện uốn:

Ta kiểm tra ứng suất uốn tại vị trí nguy hiểm nhất tại chỗ giao nhau giữa hai tiết diện, tại điểm A:

Theo tài liệu chuyên ngành lấy hệ số an toàn n=1,5 và với thép 40X thì ta có:

 Vậy  u = 529