Đồ án viết chuyên đề về hệ thống lái trợ lực thủy lực

PHẦN 2: CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA HỆ THỐNG LÁI TRỢ LỰC THỦY LỰC Hydraulic Power Steering, HPS Để việc điều khiển tay lái được nhẹ nhàng,mà không làm chậm phản ứng lái, các nhà sả

 Trần Quốc Thắng MSSV: 13B2250107

Mục Lục

Trang

Phần 1: Giới thiệu 03

Phần 2: Cấu tạo và nguyên lý làm việc 06

A CÔNG DỤNG, PHÂN LOẠI, YÊU CẦU 07

1 Công dụng 07

2 Phân loại 07

3 Yêu cầu 09

B CÁC BỘ PHẬN CỦA HỆ THỐNG LÁI CÓ TRỢ LỰC THỦY LỰC 10

1 Bơm trợ lực 12

2 Van chỉnh lưu 16

3 Van an toàn 20

4 Hộp cơ cấu lái và xylanh trợ lực 21

5 Bình chứa 25

C TRỢ LÁI PHI TUYẾN TÍNH MỚI 26

D NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG HỆ THỐNG TRỢ LỰC LÁI THỦY LỰC 27

1 Nguyên lý làm việc 27

2 Vị trí trung gian 27

3 Khi quay vòng 28

1 Thước tay lái 29

- Loại van quay 31

- Loại van ống 34

2 Hộp tay lái 40

3 Loại van cánh 41

F ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG LÁI TRỢ LỰC LÁI THỦY LỰC 44

G HƯ HỎNG VÀ CÁCH KHẮC PHỤC CỦA HỆ THỐNG LÁI TRỢ LỰC 45

Phần 3: Hệ thống lái trợ lực của một số hãng 49

để điều khiển tay lái khi xe đã dừng lại Vì vậy thay đổi kích thước vô-lăng đã không được

áp dụng trên thực tế, thay vào đó người ta phát triển hệ thống lái có trợ lực Nhiều kỹ sư đã

cố gắng làm giảm ma sát trong cơ cấu lái Trong khi điều này làm lỏng hệ thống lái, nó đã dẫn đến một tai họa lớn hơn, đó là nó sẽ làm cho tay lái rung động quá mức Vì vậy họ đã tập trung nghiêm cứu cách trợ lực bằng chân không, bằng cơ khí, bằng điện và bằng thủy lực điện…, nhưng đều thất bại (do các vấn đề về độ bền, chi phí sản xuất và sự cản trở của khoa học kỹ thuật thời đó) Davis đã thuyết phục thành công mọi người rằng hệ thống trợ lực thủy lực là câu trả lời tốt nhất cho vấn đề đó

Francis W Davis tốt nghiệp Đại học Harvard vào năm 1906 sau khi nghiên cứu kỹ thuật cơ khí Ông làm việc cho Pierce-Arrow sau khi tốt nghiệp, lúc đó đã cho anh ta một cái nhìn sâu sắc hơn về công nghệ thủy lực do các máy móc của công ty đều hoạt động bằng thủy lực Khi ông rời công ty vào năm 1922 để trở thành một kỹ sư tư vấn, ông bắt đầu nghiên cứu công nghệ này chặt chẽ hơn Thách thức đối với Davis là công nghệ - hệ thống thủy lực được sử dụng trong công nghiệp ép cần một bể chứa dầu khổng lồ, máy bơm, van đóng áp lực, và đường ống Sau khi thất bại vô số lần vì rò rỉ và hình dáng khôngkhả thi, Davis đã thay đổi hướng Thay vì sử dụng một van đóng áp lực, ông đã phát triển một hệ thống mở van cho phép dầu chảy liên tục, nhưng khi cần áp lực thì nó sẽ được đóng

và tạo áp lực

Thiết kế mở van cho phép dòng chảy dầu liên tục Davis

Năm 1925 Davis đã thử nghiệm hệ thống trên chiếc Pierce-Arrow Roadster của ông,

và chứng minh rằng nó không chỉ làm cho chiếc xe lái được dễ dàng hơn mà còn loại bỏ rung động từ mặt đường thông qua vô-lăng

Suy thoái những năm 1930 làm cho các nhà sản xuất xe hơi không quan tâm đến phát minh của Davis Davis chuyển đến General Motors và cải tiến hệ thống lái trợ lực thủy lực hỗ trợ, nhưng hãng này tính toán nó sẽ là quá đắt để sản xuất Davis sau đó đã hợptác với Bendix , một nhà sản xuất phụ tùng cho ô tô để sản xuất hệ thống trợ lực này Trong suốt những năm 1940, Chiến tranh Thế giới lần thứ II khiến cho nền công nghiệp ô

tô thế giới chuyển sang sản xuất sản phẩm phục vụ cho quân đội, nhu cầu cấp thiết lúc bấy giờ là làm sao cho hệ thống lái được dễ dàng hơn trên các phương tiện hạng nặng, điều nàylàm tăng nhu cầu hệ thống trợ lực lái trên xe bọc thép và xe bồn phục vụ cho quân đội

Năm 1951 Tổng công ty Chrysler giới thiệu dòng xe thương mại đầu tiên có hệ thống trợ lực lái đó là Chrysler Imperial dưới cái tên "Hydraguide" Hệ thống trợ lực của Chrysler được dựa trên một số bằng sáng chế đã hết hạn của Davis General Motors giới thiệu năm 1952 Cadillac với một hệ thống lái trợ lực sử dụng thiết kế của Davis đã làm chocông ty gần hai mươi năm trước đó Tay lái trợ lực giúp xe an toàn hơn và giảm mệt mỏi cho người cầm lái

-Chrysler Imperial sedan

Năm 1956, hơn hai triệu xe đã được bán với tay lái trợ lực ở Mỹ Nhờ sự kiên trì của Davis, công nghệ này là một phần quan trọng trong lịch sử phát triển của công nghệ ôtô hiện nay Qua quá trình phát triển, hệ thống này ngày càng được cải thiện cũng như có những phát minh mới đảm bảo được các yêu cầu, năng cao tính năng sử dụng, góp phần vào sự thuận lợi và an toàn trong việc sử dụng ôtô

Trong sự phát triển đó việc hiểu rõ các vấn đề về hệ thống lái là rất cần thiết Vì vậythông qua “CHUYÊN ĐỀ VỀ HỆ THỐNG LÁI TRỢ LỰC THỦY LỰC” sẽ giúp chúng ta

có một cái nhìn chi tiết hơn giúp cho người sử dụng; người vận hành; người sữa chửa, bảo dưỡng… có những kiến thức cơ bản về hệ thống lái trợ lực thủy lực trên xe ôtô để có thể sửdụng, sữa chửa, bảo dưỡng và cải tiến hệ thống trợ lực lái đúng cách, đúng quy trình kỹ thuật

Để hoàn thành chuyên đề này, chúng em không thể quên cảm ơn thầy Nguyễn Hữu Mạnh đã giành thời gian truyền đạt một cách tận tình cho nhóm chúng em những kiến thức quý báu, giúp chúng em có thể hoàn thành xuất sắc đồ án này

PHẦN 2: CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA HỆ THỐNG LÁI TRỢ LỰC THỦY

LỰC (Hydraulic Power Steering, HPS)

Để việc điều khiển tay lái được nhẹ nhàng,mà không làm chậm phản ứng lái, các nhà sản xuất ô tô trang bị hệ thống lái thủy lực Ở hệ thống trợ lực thủy lực, thanh răng được hàn thêm 1 pít tông, và được đặt trong ống xy lanh (rack housing) Ở 2 đầu xy lanh nối với 2 ống thủy lực được điều khiển bởi van thủy lực (hydraulic control valve) Van thủy lực được điều khiển bởi trục lái Khi tài xế bẻ tay lái, van thủy lực sẽ cung cấp thủy lực vào một đầu xy lanh, đẩy pít tông về phía bên kia

1/ Van điều tiết thủy lực 2/ Bánh răng 3/ Ống dẫn thủy lực 4/ Pít tông thủy lực 5/ Vỏ bọc (xy

lanh) thanh răng.

 Theo số lượng cầu dẫn hướng

o Hệ thống lái với các bánh dẫn hướng ở cầu trước;

o Hệ thống lái với các bánh dẫn hướng ở cầu sau;

o Hệ thống lái với các bánh dẫn hướng ở tất cả các cầu

 Theo kết cấu của cơ cấu lái

o Cơ cấu lái loại trục vít - bánh vít;

o Cơ cấu lái loại trục vít - cung răng;

o Cơ cấu lái loại trục vít - con lăn;

o Cơ cấu lái loại trục vít chốt quay;

o Cơ cấu lái loại liên hợp (gồm trục vít, êcu, cung răng);

o Cơ cấu lái loại bánh răng trụ, thanh răng

 Theo kết cấu và nguyên lý làm việc của bộ cường hoá

o Hệ thống lái có cường hoá thuỷ lực;

o Hệ thống lái có cường hoá khí nén;

o Hệ thống lái có cường hoá liên hợp.

- Hệ thống lái phải bảo đảm các yêu cầu sau:

o Quay vòng ôtô thật ngoặt trong một thời gian rất ngắn trên một diện tích rất bé;

o Điều khiển lái phải nhẹ nhàng thuận tiện;

o Động học quay vòng phải đúng để các bánh xe không bị trượt khi quay vòng;

o Tránh được các va đập từ bánh dẫn hướng truyền lên vành lái;

o Giữ được chuyển động thẳng ổn định

B CÁC BỘ PHẬN CỦA HỆ THỐNG LÁI CÓ TRỢ LỰC THỦY LỰC.

Các bộ phận chính của hệ thống lái có trợ lực gồm: bơm, van điều khiển, xilanh trợlực, hộp cơ cấu lái (bót lái) Hệ thống lái sử dụng công suất động cơ để dẫn động cho bơmtrợ lực tạo ra áp suất Khi xoay vô lăng sẽ chuyển mạch một đường dẫn dầu tại van điềukhiển Nhờ áp suất dầu này mà píttông trong xilanh trợ lực được đẩy đi và làm quay bánh

xe dẫn hướng

-Do vậy, nhờ áp suất dầu thuỷ lực mà lực đánh lái vô lăng sẽ giảm đi và không phảiquay tay lái quá nhiều Do yêu cầu của hệ thống phải tuyệt đối kín nên bạn cần định kỳkiểm tra sự rò rỉ dầu để đảm bảo rằng hệ thống lái làm việc hiệu quả và an toàn

a) Cấu tạo.

Thân bơm: Bơm được dẫn động bằng puly trục khủy động cơ và dây đai dẫn động,

và đưa dầu bị nén vào hộp số cơ cấu lái Lưu lượng của bơm tỷ lệ với tốc độ của động cơ nhưng lưu lượng dầu đưa vào hộp cơ cấu lái được điều tiết nhờ một van điều khiển lưu lượng và lượng dầu thừa được đưa trở lại đầu hút của bơm

Bình chứa: Bình chứa cung cấp dầu trợ lực lái Nó được lắp trực tiếp vào thân bơm

hoặc lắp tách biệt Nếu không lắp với thân bơm thì sẽ được nối với bơm bằng hai ống mềm Thông thường, nắp bình chứa có một thước đo mức để kiểm tra mức dầu Nếu mức dầu trong bình chứa giảm dưới mức chuẩn thì bơm sẽ hút không khí vào gây ra lỗi trong vận hành

Van điều khiển lưu lượng: Điều chỉnh lượng dòng chảy dầu từ bơm tới hộp cơ cấu

lái, duy trì lưu lượng không đổi mà không phụ thuộc tốc độ bơm(v/ph)

Thiết bị bù không tải: Bơm tạo ra áp suất dầu tối đa khi vô lăng quay hết cỡ sang

phải hoặc sang trái Lúc này phụ tải tối đa trên bơm làm giảm tốc độ không tải của động

cơ, thiết bị bù không tải nhằm tăng tốc độ không tải của động cơ mỗi khi bơm phải chịu phụ tải nặng, khi áp suất dầu bơm tác động lên van điều khiển không khí để kiểm soát lưu lượng không khí

Hầu hết sử dụng loại bơm cánh gạt để làm bơm trợ lực vì loại này có ưu điểm kết cấuđơn giản, gọn nhẹ, phù hợp với hệ thống thuỷ lực yêu cầu áp suất không lớn

-b) Hoạt động của bơm:

Trục bơm quay dẫn động cho rô to quay trong stato bơm (hay còn gọi là vòng cam)được gắn chắc với vỏ bơm Trên rô to có các rãnh để gắn các cánh bơm Do chu vi vòngngoài của rô to hình tròn nhưng mặt trong của vòng cam hình ô van nên tồn tại một khe hởgiữa rô to và vòng cam

Cánh bơm sẽ ngăn cách khe hở này để tạo thành các buồng chứa dầu Cánh bơm bịgiữ sát vào bề mặt trong của vòng cam bằng lực ly tâm và áp suất dầu tác động sau cánhbơm nên hình thành một phớt dầu ngăn rò rỉ áp suất giữa cánh gạt và vòng cam khi bơmtạo áp suất dầu Khi rô to quay thì dung tích buồng dầu tăng giảm liên tục

Hay nói cách khác, dung tích của buồng dầu tăng tại cổng hút, do vậy dầu từ bìnhchứa sẽ được hút vào buồng dầu từ cổng hút Ở cổng xả áp suất giảm do trước đó dầu đượchút vào buồng này và bị ép qua cổng xả Chu kỳ hút xả diễn ra trong mỗi vòng quay củatrục rô to Do có 02 cổng hút và 02 cổng xả nên dầu sẽ hút và xả 02 lần trong trong mộtchu kỳ quay của rô to

Vị trí lắp bơm trợ lực lái Mũi tên màu vàng chỉ mô-tơ dẫn động cho bơm trợ lực lái

2 Van điều chỉnh lưu lượng:

Van điều khiển lưu lượng điều chỉnh lượng dòng chảy dầu từ bơm tới hộp cơ cấulái, duy trì lưu lượng không đổi mà không phụ thuộc tốc độ bơm (v/ph)

- Hoạt động của van:

Lưu lượng của bơm trợ lực lái tăng theo tỷ lệ với tốc độ động cơ Lượng dầu trợ lái

do piston của xy lanh trợ lực cung cấp lại do lượng dầu từ bơm quyết định Khi tốc độ bơmtăng thì người lái cần tác động ít lực đánh lái hơn Nói cách khác, yêu cầu về lực đánh láithay đổi theo sự thay đổi tốc độ Đây là điều bất lợi nhìn từ góc độ ổn định lái Do đó, việcduy trì lưu lượng dầu từ bơm không đổi không phụ thuộc tốc độ xe là một yêu cầu cầnthiết Đó chính là chức năng của van điều khiển lưu lượng Thông thường, khi xe chạy ởtốc độ cao, sức cản lốp xe thấp vì vậy đòi hỏi ít lực lái hơn Do đó, với một số hệ thống lái

có trợ lực, có ít trợ lực hơn ở điều kiện tốc độ cao mà vẫn có thể đạt được lực lái thích hợp

Ở tốc độ thấp (tốc độ bơm: 650-1250v/ph): Áp suất xả P1 của bơm tác động lên

phía phải của van điều khiển lưu lượng và P2 tác động lên phía trái sau khi đi qua các lỗ.Chênh lệch áp suất giữa P1 và P2 lớn hơn khi tốc độ động cơ tăng Khi sự chênh lệch ápsuất giữa P1 và P2 thắng sức căng của lò xo van điều khiển lưu lượng thì van này sẽ dịchchuyển sang trái, mở đường chảy sang phía cửa hút vì vậy dầu chảy về phía cửa hút.Lượng dầu tới hộp cơ cấu lái được duy trì không đổi theo cách này

-Hoạt động của van điều khiển lưu lượng ở tốc độ thấp

Ở tốc độ trung bình (tốc độ bơm: 1250-2500v/ph): Áp suất xả của bơm P1 tác

động lên phía trái của ống điều khiển Khi tốc độ bơm trên 1250v/ph, áp suất P1 thắng sứccăng lò xo (B) và đẩy ống điều khiển sang phải do đó lượng dầu qua các lỗ giảm gây taviệc giảm áp suất P2 Kết quả là chênh lệch áp suất giữa P1 và P2 tăng Theo đó van điềukhiên lưu lượng dịch chuyển sang trái và đưa dầu về phía cửa hút giảm lượng dầu vào hộp

cơ cấu lái Nói cách khác khi ống điều khiển chuyển sang phải, lượng dầu qua các lỗ giảm

Ở tốc độ cao (tốc độ bơm: trên 2500v/ph): Khi tốc độ bơm vượt 2500v/ph, ống

điều khiển tiếp tục bị đẩy sang phải, đóng một nửa các lôc tiết lưu Lúc này, áp suất P2chỉ do lượng dầu qua các lỗ quyết định Theo cách này lượng dầu tới hộp cơ cấu láiđược duy trì không đổi (trị số nhỏ)

-Hoạt động của van điều khiển lưu lượng ở tốc độ trung bình và tốc độ cao

3 Van an toàn:

Van an toàn đặt trong van điều khiển lưu lượng Khi áp suất P2 vượt mức quy định(khi quay hết cỡ vô lăng), van an toàn sẽ mở để giảm áp suất Khi áp suất P2 giảm thì Vanđiều khiển lưu lượng bị đẩy sang trái và điều chỉnh áp suất tối đa

Tóm lại, lưu lượng dầu từ bơm tới hộp cơ cấu lái giảm khi chạy ở tốc độ cao và lái có

ít trợ lực hơn Lưu lượng của bơm tăng lên theo mức tăng tốc độ bơm nhưng lượng dầu tớihộp cơ cấu lái giảm

Người ta gọi cơ cấu này là loại lái có trợ lực nhạy cảm với tốc độ và nó bao gồm vanđiều khiển lưu lượng có một ống điều khiển Khi tốc độ động cơ tăng lên, tốc độ bơm tănglên theo làm áp suất bên cửa xả tăng lên thắng được lực căng của lò xo A Ống điều khiểndịch chuyển sang trái làm giảm lượng dầu vào hộp cơ cấu lái Do vậy lực đánh lái được ổnđịnh theo cách này

4 Hộp cơ cấu lái và xy lanh trợ lực

Các bộ phận của hộp cơ cấu lái gồm: van điều khiển và xilanh trợ lực lái Có thể mô

tả toàn bộ hoạt động của hộp cơ cấu lái như sau: Pít tông trong xi lanh trợ lực được đặt trênthanh răng, và thanh răng dịch chuyển do áp suất dầu tạo ra từ bơm trợ lực lái tác động lênpít tông theo cả hai hướng Một phớt dầu đặt trên pít tông để ngăn dầu khỏi rò rỉ ra ngoài

-thẳng) thì van điều khiển cũng ở vị trí trung hoà do đó dầu từ bơm trợ lực lái không vàokhoang nào của xilanh trên thanh răng mà quay trở lại bình chứa Tuy nhiên, khi vô lăngquay theo hướng nào đó thì van điều khiển thay đổi đường truyền do vậy dầu chảy vào mộttrong các buồng Dầu trong buồng đối diện bị đẩy ra ngoài và chảy về bình chứa theo vanđiều khiển Nhờ áp lực dầu làm dịch chuyển thanh răng mà lực đánh lái giảm đi.

Van điều khiển được bố trí trong hộp cơ cấu lái Hiện nay có 3 loại van điều khiểnkhác nhau để điều khiển sự chuyển đổi đường dẫn đó là các van cuộn cảm, van quay và cácvan cánh Trong đó loại van quay được sử dụng phổ biến ở nhiều loại xe Tất cả các loạivan đó đều có một thanh xoắn nằm giữa trục van điều khiển và trục vít Van điều khiển vậnhành theo mức độ xoắn của thanh xoắn Dưới đây ta sẽ đi sâu vào loại van quay

Van điều khiển trong hộp cơ cấu lái quyết định đưa dầu từ bơm trợ lực lái đi vàobuồng nào Trục van điều khiển (trên đó tác động mômen vô lăng) và trục vít được nối vớinhau bằng một thanh xoắn Van quay và trục vít được cố định bằng một chốt và quay liềnvới nhau Nếu không có áp suất của bơm tác động, thanh xoắn sẽ ở trạng thái hoàn toànxoắn và trục van điều khiển và trục vít tiếp xúc với nhau ở cữ chặn và mômen của trục vanđiều khiển trực tiếp tác động lên trục vít.

-Chuyển động quay của trục van điều khiển kiểu van quay tạo nên một giới hạn trongmạch thuỷ lực Khi vô lăng quay sang phải áp suất bị hạn chế tại các lỗ X và Y Khi vô lăng quay sang trái trục van điều khiển tạo giới hạn tại X' và Y' Khi vô lăng xoay thì trục lái quay, làm xoay trục vít qua thanh xoắn Ngược lại với trục vít, vì thanh xoắn xoắn tỷ lệ với lực bề mặt đường, trục van điều khiển chỉ quay theo mức độ xoắn và chuyển động sangtrái hoặc sang phải.

Do vậy tạo các lỗ X và Y (hoặc X' và Y') và tạo sự chênh lệch áp suất thuỷ lực giữa các buồng xi lanh trái và phải Bằng cách này, tốc độ quay của trục van điều khiển trực tiếplàm thay đổi đường đi của dầu và điều chỉnh áp suất dầu Dầu từ bơm trợ lực lái sẽ vào

vòng ngoài của van quay và dầu chảy về bình chứa qua khoảng giữa thanh xoắn và trục van điều khiển.

-Vị trí lắp bình dầu trợ lực và mực dầu trợ lực

Bản chất của hệ thống lái này là làm thay đổi lực vận hành vô lăng phù hợp với tốc

độ xe Ở tốc độ chạy chậm lực đánh lái nhẹ hơn và ở tốc độ cao lực lái nặng hơn Trợ láiphi tuyến tính loại phản ứng thuỷ lực sử dụng một thanh xoắn mỏng hơn thanh xoắn trongtrợ lái thông thường để giảm lực lái cần thiết khi lái tại chỗ hoặc chạy ở tốc độ chậm.Tuynhiên, điều này làm lực lái cần thiết trở nên quá nhỏ (vô lăng quá "nhẹ") khi xe tăng tốc

Để ngăn chặn điều này, lực lái yêu cầu được tăng lên giống như khi có thanh xoắndầy hơn, bằng cách bố trí một buồng phản ứng thuỷ lực để loại bỏ chuyển động quay củatrục van điều khiển (trong hộp van điều khiển) nhờ 04 pít tông thuỷ lực Áp suất thuỷ lựctrong buồng phản ứng thuỷ lực sẽ thấp khi tốc độ xe chậm và cao khi xe chạy nhanh Ápsuất đó cũng tăng khi áp suất thuỷ lực trong xilanh trợ lực tăng do điều khiển vô lăng Đốivới trợ lái phi tuyến tính loại phản ứng thuỷ lực thì lực lái thay đổi tuỳ theo tốc độ xe vàvận hành vô lăng trục van điều khiển trực tiếp tác động lên trục vít