MỤC LỤC
MỤC LỤC...i
LỜI NÓI ĐẦU...ii
PHẦN I : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LÁI 5
1. Công dụng, phân loại, yêu cầu. 5
1.1. Công dụng của hệ thống lái 5
1.2. Phân loại hệ thống lái 5
1.3. Yêu cầu của hệ thống lái 5
2. Kết cấu hệ thống lái 6
2.2. Trục lái 7
2.3. Cơ cấu lái 7
2.3.1. Tỷ số truyền cơ cấu lái 7
2.3.2. Hiệu suất cơ cấu lái 8
2.3.3. Các yêu cầu của cơ cấu lái 9
2.3.4. Các dạng cơ cấu lái thông dụng. 9
3. Các góc đặt bánh xe. 12
3.1. Góc nghiêng ngang của bánh xe (Camber). 13
3.2. Góc nghiêng dọc trụ đứng (Caster). 14
3.3. Góc nghiêng ngang trụ đứng (Kingpin). 16
3.4. Độ chụm và độ mở (Góc doãng). 17
3.5. Bán kính quay vòng (Góc bánh xe, bán kính quay vòng). 18
4. Dẫn động lái 19
5. Trợ lực lái 23
5.1. Tổng quan về trợ lực lái 23
5.2. Kết cấu trợ lực lái 24
5.2.1. Nguồn cung cấp. 26
5.2.2. Bộ phận sinh lực. 27
5.2.3. Van phân phối 27
5.2.4. Tính chép hình của hệ thống lái 31
5.2.5. Nguyên lý hoạt động của hệ thống lái có trợ lực thủy lực. 31
1. Các số liệu thiết kế. 33
2. Chọn phương án thiết kế. 33
2.1. Chọn phương án dẫn động lái 33
2.2. Chọn phương án cơ cấu lái 34
3. Thiết kế hệ thống lái 34
3.1. Tính mô men cản quay vòng. 34
3.1.1. Mô men cản quay vòng M1 gây nên do lực cản lăn. 35
3.1.2. Mô men cản M2 do ma sát giữa bánh xe và mặt đường. 35
3.2. Tỷ số truyền của hệ thống lái 36
3.2.1. Tỷ số truyền của dẫn động lái id. 36
3.2.2. Tỷ số truyền của cơ cấu lái ic 37
3.2.3. Xác định lực tác động lớn nhất ở vành tay lái 37
3.3. Chọn phương án cường hóa lái 37
3.4. Tính các thông số hình học của dẫn động lái 38
3.4.1. Tính động học hình thang lái 38
3.4.2. Xây dựng đường đặc tính lý thuyết 41
3.4.3. Xây dựng đường đặc tính thực tế. 42
3.5. Kiểm tra các thông số hình học của cơ cấu lái 45
3.5.1. Xác định bán kính vòng lăn của bánh răng. 45
3.5.2. Xác định các thông số của bánh răng. 45
3.5.3. Xác định kích thước và thông số của thanh răng. 46
3.6. Tính bền cơ cấu lái bánh răng - thanh răng. 47
3.6.1. Xác định lực tác dụng lên bộ truyền bánh răng – thanh răng. 47
3.6.2. Kiểm tra vật liệu. 47
3.7. Tính trục lái 51
3.8. Tính bền đòn kéo ngang. 52
3.9. Tính bền đòn bên hình thang lái 53
3.10. Tính bền thanh nối bên của dẫn động lái 54
3.11. Tính bền khớp cầu (rotuyl). 54
PHẦN III. THIẾT KẾ CƯỜNG HÓA LÁI 57
1. Yêu cầu và phương án chọn cường hóa. 57
1.1. Các yêu cầu của cường hoá. 57
1.2. Chọn loại trợ lực. 57
2. Lựa chọn phương án bố trí cường hóa. 58
2.1. Chọn phương án bố trí cường hóa. 58
2.2. Chọn van phân phối 59
3. Tính toán cường hóa. 61
3.1. Công tiêu hao của người lái để quay vành tay lái 61
3.2. Xây dựng đặc tính cường hóa lái 62
3.3. Tính toán xi lanh lực. 64
3.4. Xác định năng suất của bơm.. 65
3.5. Tính các chi tiết của van phân phối 67
3.5.1. Tính góc xoay của van quay. 67
3.5.2. Các thông số khác. 68
PHẦN IV. THÁO LẮP BẢO DƯỠNG VÀ CHẨN ĐOÁN HƯ HỎNG HỆ THỐNG LÁI 72
1. Tháo cơ cấu lái 72
2. Lắp cơ cấu lái 72
3. Lắp ráp các cụm cường hóa. 73
3.1. Lắp ráp các bộ phận của xi lanh. 73
3.2. Lắp van phân phối 73
4. Chẩn đoán những hư hỏng của hệ thống lái và cách khắc phục. 74
5. Bảo dưỡng hệ thống lái 80
5.1. Bảo dưỡng kỹ thuật hệ thống lái 80
5.2. Sửa chữa các chi tiết trong hệ thống lái 80
KẾT LUẬN.. 82
TÀI LIỆU THAM KHẢO.. 83
LỜI NÓI ĐẦU
Ô tô là phương tiện vận tải có vai trò hết sức quan trọng trong nền kinh tế quốc dân, được sử dụng rộng rãi trong tất cả các lĩnh vực dân sự cũng như quốc phòng vì nó có những ưu điểm như thông dụng, đơn giản, dễ sử dụng và có tính cơ động cao.
Những năm gần đây, lượng xe du lịch có xu hướng tăng lên, đặc biệt là các loại xe 7 chỗ với ưu điểm về khả năng cơ động, tính kinh tế và thích hợp với nhiều mục đích sử dụng khác nhau.
Với ôtô nói chung và xe du lịch nói riêng, an toàn chuyển động là chỉ tiêu hàng đầu trong việc đánh giá chất lượng thiết kế và sử dụng của phương tiện. Một trong các hệ thống quyết định đến tính an toàn và ổn định chuyển động là hệ thống lái đặc biệt là ở tốc độ cao.Để đảm bảo tính tiện nghi, an toàn cho người sử dụng thì việc thiết kế một hệ thống lái đảm bảo đầy đủ các yêu cầu đặt ra là một điều rất cần thiết trong xã hội hiện đại. Một hệ thống lái phải đảm bảo tính quay vòng đúng của các bánh xe dẫn hướng, điều khiển dễ dàng, dễ chăm sóc sửa chữa, bảo dưỡng và phù hợp với phần lớn đối tượng sử dụng.Chính vì vậy việc tính toán và cải tiến về thiết kế chế tạo cũng như sử dụng hệ thống lái ngày càng nghiêm ngặt và chặt chẽ hơn.
Qua tìm hiểu và nghiên cứu, cùng với yêu cầu nhiệm vụ của đồ án tốt nghiệp em được giao nhiệm vụ: ‘‘Tính toán thiết kế hệ thống lái cho ôtô Toyota innova”.
Sau hơn ba tháng, được sự hướng dẫn tận tình của thầy : TS…………….. và sự giúp đỡ của các bạn cùng lớp, em đã cơ bản hoàn thành đồ án tốt nghiệp. Trong quá trình thực hiện, chắc chắn em không tránh khỏi những thiếu sót. Do đó, em rất mong nhận được sự chỉ bảo và góp ý của các thầy và các bạn.
Em xin chân thành cảm ơn!
PHẦN I
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LÁI
1. Công dụng, phân loại, yêu cầu
1.1. Công dụng của hệ thống lái
Hệ thống lái giữ vai trò điều khiển hướng chuyển động của ô tô (thay đổi hay duy trì) theo tác động của người lái. Hệ thống lái tham gia cùng các hệ thống điều khiển khác thực hiện điều khiển ô tô và đóng góp vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn giao thông khi ô tô chuyển động.
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…
1.3. Yêu cầu của hệ thống lái
Một trong các hệ thống quyết định đến tính an toàn và ổn định chuyển động của ôtô là hệ thống lái. Theo đó hệ thống lái cần đảm bảo các yêu cầu sau:
- 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 nhanh và 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 khi quay vòng.
2. Kết cấu hệ thống lái
2.1. Vành lái
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:
Mvl=Pl.rvl
2.2. Trục lái
Trục lái có nhiệm truyền mô men lái xuống cơ cấu lái. Trục lái gồm có trục lái chính có thể chuyển động truyền chuyển động quay của vô lăng xuống cơ cấu lái và ống truc 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 tai nạn xảy ra.
2.3. Cơ cấu lái
Cơ cấu lái là bộ phận cơ bản trong hệ thống lái, nó có nhiệm vụ biến chuyển động quay vòng của trục lái thành chuyển động góc của đòn quay đứng và đảm bảo tỉ số truyền theo yêu cầu.
2.3.1. Tỷ số truyền cơ cấu lái
* Phân tích đồ thị:
Với quy luật thay đổi như trên, khi ô tô chuyển động trên đường thẳng với vận tốc cao, người lái chỉ phải đánh lái với các góc rất nhỏ xung quanh vị trí trung gian, nên tỷ số truyền lớn ở đây giúp cho người lái điều khiển ô tô nhẹ nhàng. Hơn nữa tỷ số truyền lớn có tác dụng làm giảm va đập truyền ngược từ đường lên vô lăng.
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 suất này 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 vậy khi thiết kế cơ cấu lái nên chọn hiệu suất nghịch nhỏ để giảm bớt lực truyền từ mặt đường lên vô lăng.
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 gồm bánh răng ở phía dưới trục lái chính ăn khớp với thanh răng, trục bánh răng được lắp trên các ổ bi. Điều chỉnh các ổ này dùng êcu lớn ép chặt ổ bi, trên vỏ êcu đó có phớt che bụi đảm bảo trục răng quay nhẹ nhàng.
* Cơ cấu lái trục vít con lăn
Loại cơ cấu lái này hiện nay được sử dụng rộng rãi nhất. Trên phần lớn các ôtô Liên Xô loại có tải trọng bé và tải trọng trung bình đều đặt loại cơ cấu này.
* Cơ cấu lái loại trục vít – êcu bi – thanh răng – cung răng:
Gồm một trục vít có hai đầu được đỡ bằng ổ bi đỡ chặn. Trục vít và êcu có rãnh tròn có chứa các viên bi lăn trong rãnh. Khi đến cuối rãnh thì các viên bi theo đường hồi bi quay trở lại vị trí ban đầu.
3. Các góc đặt bánh xe
Việc bố trí các bánh xe dẫn hướng liên quan trực tiếp tới tính điều khiển xe, tính ổn định chuyển động của ôtô. Các yêu cầu chính của việc bố trí là điều khiển chuyển động nhẹ nhàng, chính xác đảm bảo ổn định khi đi thẳng cũng như khi quay vòng, kể cả khi có sự cố ở các hệ thống khác. Đối với xe du lịch yêu cầu này ngày càng được quan tâm và được nâng cao hơn vì vận tốc của xe không ngừng được nâng lên.
Việc điều khiển xe sẽ trở lên dễ dàng hơn nếu các bánh xe được đặt theo một góc chính xác theo yêu cầu thiết kế. Nếu như các góc đặt bánh xe không đúng thì có thể dẫn đến các hiện tượng sau:
+ Khó lái.
+ 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 Castervà 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 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 gọi là góc camber, và đo bằng độ. Khi bánh xe dẫn hướng nghiêng ra ngoài thì gọi là góc “camber dương”, và ngược lại gọi là góc “camber âm”. Bánh xe không nghiêng thì camber bằng không (bánh xe thẳng đứng ).
* Chức năng của góc camber:
Những năm về trước bánh xe được đặt với góc camber dương để cải thiện độ bền của cầu trước và để các lốp tiếp xúc vuông góc với mặt đường (do trọng lượng của xe) nhằm ngăn ngừa sự mòn không đều của lốp trên đường, do có phần giữa cao hơn hai mép.
3.2. Góc nghiêng dọc trụ đứng (Caster)
Góc nghiêng dọc của trụ đứng là sự nghiêng về phía trước hoặc phía sau của trụ đứng. Nó được đo bằng độ và được 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 thì gọi là caster dương, nghiêng về phía trước thì gọi là caster âm.
Khi trụ quay đứng được đặt nghiêng về phía sau một góc nào đó so với chiều tiến của xe (caster dương) thì phản lực bên Yb của đường sẽ tạo với tâm tiếp xúc một mô men ổn định, mô men đó được xác định bằng công thức sau:
M = Yb.c
3.3. Góc nghiêng ngang trụ đứng (Kingpin)
Góc nghiêng ngang của trụ đứng được xác định trên mặt cắt ngang của xe. Góc kingpin được tạo nên bởi hình chiếu của đường tâm trụ đứng trên mặt cắt ngang đó và phương thẳng đứng .
* Chức năng của góc kingpin:
Giảm lực đánh lái: Khi bánh xe quay sang phải hoặc quay quanh trụ đứng với khoảng lệch tâm là bán kính r0, r0 là bán kính quay của bánh xe quay quanh trụ đứng, nó là khoảng cách đo trên bề mặt của đường cong mặt phẳng nằm ngang của bánh xe giữa đường kéo dài đường tâm trụ quay đứng với tâm của vết tiếp xúc của bánh xe với mặt đường.
3.4. Độ chụm và độ mở (Góc doãng)
Khi phía trước của các bánh xe gần nhau hơn phía sau ( khi nhìn từ trên xuống ) thì gọi là “ độ chụm ”, sự bố trí ngược lại gọi là “ độ mở ”.
Thông thường độ chụm được biểu diễn bằng khoảng cách B-A. Kích thước B, A được đo ở mép ngoài của vành lốp ở trạng thái không tải khi xe đi thẳng. Độ chụm là dương nếu B-A>0, là âm nếu B-A<0.
3.5. Bán kính quay vòng (Góc bánh xe, bán kính quay vòng)
Khi vào đường cong, đảm bảo các bánh xe dẫn hướng không bị trượt lết hoặc trượt quay thì đường vuông góc với véctơ vận tốc chuyển động của tất cả các bánh xe phải gặp nhau tại một điểm, điểm đó gọi là tâm quay tức thời của xe.
4. Dẫn động lái
Dẫn động lái bao gồm tất cả những chi tiết truyền lực từ cơ cấu lái đến ngõng quay của bánh xe. Vì vậy dẫn động lái trên xe phải đảm bảo các chức năng sau:
+ Nhận chuyển động từ cơ cấu lái tới các bánh xe dẫn hướng.
+ Đảm bảo quay vòng của các bánh xe dẫn hướng sao cho không xảy ra hiện tượng trượt bên lớn ở tất cả các bánh xe, đồng thời tạo liên kết giữa các bánh xe dẫn hướng.
+ Phần tử cơ bản của dẫn động lái là hình thang lái tạo bởi cầu trước, đòn kéo ngang và đòn kéo bên. Nhờ hình thang lái nên khi quay vô lăng một góc thì các bánh xe dẫn hướng sẽ quay đi một góc nhất định.
5. Trợ lực lái
5.1. Tổng quan về trợ lực lái
Ta thấy lực cản quay vòng tỉ lệ thuận với trọng lượng xe phân lên cầu trước dẫn hướng, do vậy những xe có trọng tải càng lớn thì lực cản quay vòng càng lớn. Lực cản quay vòng tăng tới một giới hạn nào đó thì người lái không điều khiển vô lăng được nữa. Trong trường hợp đó cần có một bộ phận hỗ trợ cho người lái khi quay vòng xe. Người ta gọi bộ phận đó là trợ lực lái.
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
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 được điều khiển bởi tín hiệu từ vô lăng tức theo góc quay và lực tác dụng lên vô lăng. Cũng như các bộ trợ lực của các hệ thống lái khác, van phân phối đảm bảo tính chép hình cho hệ thống, cụ thể là đảm bảo tỉ lệ thuận giữa lực điều khiển trên vô lăng với áp suất chất lỏng đi đến xi lanh lực.
5.2.1. Nguồn cung cấp
Nguồn cung cấp bao gồm bơm thủy lực, bình chứa dầu, các van an toàn, ắc quy thủy lực. Bơm thủy lực thường dùng là bơm cánh gạt, bơm bánh răng, áp suất chất lỏng có thể đạt 0,4 – 0,6 MN/m2.
5.2.2. Bộ phận sinh lực
Bộ phận sinh lực bao gồm xi lanh, pittông và cần pittông. Có thể gọi bộ phận này là xi lanh lực, nó là bộ phận biến đổi áp suất chất lỏng thành lực tác dụng vào dẫn động lái để làm quay bánh xe khi quay vòng. Xi lanh lực có thể bố trí độc lập, có thể bố trí chung với van phân phối, cũng có thể bố trí chung với van phân phối và cơ cấu lái.
5.2.5. Nguyên lý hoạt động của hệ thống lái có trợ lực thủy lực
Trợ lực lái là một thiết bị thuỷ lực sử dụng công suất của động cơ để giảm nhẹ lực lái. Động cơ dẫn động bơm tạo ra dầu cao áp tác dụng lên piston nằm trong xi lanh lực. Mức độ trợ giúp phụ thuộc vào độ lớn của áp suất dầu tác dụng lên piston. Vì vậy nếu cần trợ lực lái lớn hơn thì phải tăng áp suất dầu.
* Vị trí trung gian.
Nếu van ở vị trí trung gian, tất cả dầu sẽ chảy qua van vào cửa xả và hồi về bơm. Vì áp suất dầu bên trái và bên phải piston là như nhau nên piston không chuyển động về hướng nào.
* Khi quay vòng
Khi trục lái chính quay theo bất kỳ hướng nào, giả sử quay sang phải thì van điều khiển cũng di chuyển làm đóng một phần cửa dầu, còn cửa kia mở rộng hơn. Vì vậy làm thay đổi lượng dầu vào các cửa, cùng lúc đó áp suất dầu được tạo ra. Sự chênh lệch áp suất giữa hai khoang trái và phải của piston làm piston dịch chuyển về phía có áp suất thấp, dầu bên áp suất thấp sẽ được đẩy qua van điều khiển về bơm.
PHẦN II: TÍNH TOÁN HỆ THỐNG LÁI
1. 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 không tải: G0 = 21000 (N)
Trọng lượng toàn tải: G = 27600 (N)
Trọng lượng tác dụng lên cầu trước dẫn hướng: G1 = 13600 (N)
Trọng lượng tác dụng lên một bánh dẫn hướng: Gbx = 6800 (N)
Ký hiệu lốp: 215/70 R16
2. Chọn phương án thiết kế
Đặc điểm xe ô tô con 7 chỗ :
- Xe tải trọng thấp.
- 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.
Phần tử cơ bản của dẫn động lái là hình thang lái. Trên ôtô hệ thống treo trước độc lập và cơ cấu lái loại trục răng thanh răng thì có thể kết hợp thanh răng làm luôn chức năng của thanh lái ngang trong hình thang lái. Sự quay vòng của ôtô rất phức tạp, để đảm bảo mối quan hệ động học của các bánh xe phía trong và phía ngoài khi quay vòng là một điều khó thực hiện.
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 gọn nhẹ. Do cơ cấu lái nhỏ và bản thân thanh răng tác dụng như thanh dẫn động lái nên không cần các đòn kéo ngang như các cơ cấu lái khác.
- Có độ nhạy cao vì ăn khớp giữa các răng là trực tiếp.
3. 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 ở trạng thái xe quay vòng và chở đủ tải. Mômen cản quay vòng được tính toán khi xuất hiện lực cản lăn ở hai bánh xe ngược chiều nhau, có một lực bên Y, mô men ổn định của bánh xe dẫn hướng. Lúc đó mômen cản quay vòng 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.
MC = M1+M2+M3(2.1)
3.1.1. Mô men cản quay vòng M1 gây nên do lực cản lăn
- M1 được tính theo công thức:
M1 = Gbx. f.a (2.2)
3.1.2. Mô men cản M2 do ma sát giữa bánh xe và mặt đường
Giá trị mômen do Y gây lên M2 được tính cho một bánh xe, phản lực bên lùi sau một đoạn x. Giá trị của x thừa nhận bằng 1/4 chiều dài của vết tiếp xúc và gây lên mômen quay cùng chiều M1:
M2 = Y. x (2.3)
Thay vào (2.4) ta được: x = 0,14r
+ Y = Gbx.jy
Với jy = 0,85: hệ số bám ngang giữa bánh xe và mặt đường
M2 = Y. x = 0,14.r.Gbx.jy (2.7)
* Mômen cản tổng cộng trên cầu trước dẫn hướng được tính toán như sau:
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 id
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 ic
Ta có công thức:
’max = max.i (2.9)
Ta lấy sơ bộ tỷ số truyền của hệ thống lái i =16.
Tính lại ’max,ta có: (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
3.3. 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.
3.4. Tính các thông số hình học của dẫn động lái
3.4.1. Tính động học hình thang lái
Nhiệm vụ của tính động học dẫn động lái là xác định những thông số tối ưu của hình thang lái để đảm bảo động học quay vòng của các bánh xe dẫn hướng một cách chính xác nhất và động học đúng của đòn quay đứng khi có sự biến dạng của bộ phận đàn hồi hệ thống treo và chọn các thông số cần thiết của hệ thống dẫn động lái.
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 1o.
3.4.2. Xây dựng đường đặc tính lý thuyết
Với Bo = 1510mm, L = 2650mm.
3.4.3. Xây dựng đường đặc tính thực tế
Theo các thông số lấy trên xe tham khảo ta có:
- 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
Nhận xét: Như vậy với thì ta có được đường cong thực tế gần với đường cong lý thuyết nhất, và thỏa mãn điều kiện về sai lệch giữa lý thuyết và thực tế.
3.5. Kiểm tra các thông số hình học của cơ cấu lái
=> Ta tính được X1 = 87.86 (mm)
Do thanh răng quay về cả hai bên nên chiều dài làm việc của thanh răng L > 2.X1=175,72mm
Do đó ta chọn chiều dài làm việc của thanh răng là L =195(mm), để đảm bảo khi xe quay vòng hết thì thanh răng vẫn không bị chạm.
3.5.3. Xác định kích thước và thông số của thanh răng
- Mô mem xoắn gây lên sự nguy hiểm ở thanh răng, bằng mô mem cản quay vòng ở bánh xe: Mx=Mc=1040 (Nm)
Thay các thông số vào ta được: d = 25,58 (mm). Chọn: d =26 (mm)
* Chiều dài đoạn làm việc của thanh răng L=195 mm.
Vậy ta chọn: Z = 24
* Đường kính vòng đỉnh của thanh răng: D=26mm
* 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: Pv =Pmax.ic= 430.16 = 6880 (N)
- Lực dọc lớn nhất tác dụng lên bánh răng: pa = 2103 (N)
3.6.2. Kiểm tra vật liệu
Trong quá trình làm việc thanh răng và bánh răng chịu ứng suất uốn, ứng suất tiếp xúc và tải trọng va đập từ mặt đường. Vì vậy thường gây ra hiện tượng rạn nứt chân răng. Do đó ảnh hưởng tới độ bền và độ tin cậy của cơ cấu lái. Để đảm bảo những yêu cầu làm việc của cơ cấu lái thì vật liệu chế tạo thanh răng – bánh răng thường là thép 40X tôi cải thiện.
Vậy điều kiện được thỏa mãn, bộ truyền bánh răng – thanh răng đảm bảo đủ bền trong quá trình làm việc.
3.7. Tính trục lái
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
Chọn sơ bộ kích thước của trục lái là: D=30 (mm), d= 20 (mm)
Thay những thông số trên vào công thức (2.36) ta được: t = 18853 (MN/m2)
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: L=1000 (mm)
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.
Thay vào biểu thức ta được: Ppmax = 13600.1,4.0,85 = 16184 (N).
Với hệ số dự trữ bền ổn định n =1,5 ta có eb = 56,67 MN/m2
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:
Mu = AB.Q2 =180.10729 = 1931220 (Nmm)
Với: b = 35 (mm); h = 25 (mm)
Theo tài liệu chuyên ngành lấy hệ số an toàn n=1,5 và với thép 40X thì ta có: 570 N/mm2
Vậy eb = 529 < [eb] = 570, thỏa mãn điều kiện bền uốn.
3.11. Tính bền khớp cầu (rotuyl)
* Kiểm tra bền khớp cầu
Như phần tính bền thanh kéo ngang lức tác dụng lên khớp cầu cũng chính là lực phanh cực đại Ppmax = Q = 16184 (N)
Hệ số an toàn: n = 5,83
Như vậy khớp cầu thỏa mãn điều kiện chèn dập tại bề mặt làm việc.
* Kiểm tra khớp cầu theo điều kiện cắt
- Kiểm tra độ bền cắt khớp cầu tại tiết diện nguy hiểm nhất.
+ Hệ số an toàn: n = 1,25
Như vậy khớp cầu thỏa mãn điều kiện cắt tại tiết diện nguy hiểm.
PHẦN III
THIẾT KẾ CƯỜNG HÓA LÁI
1. Yêu cầu và phương án chọn cường hóa
1.1. Các yêu cầu của cường hoá
Khi hệ thống của trợ lực lái có sự cố thì hệ thống lái vẫn có thể làm việc. Nếu có hư hỏng xảy ra làm ngưng việc cấp dầu từ bơm đến cơ cấu lái thì người lái vẫn có thể điều khiển được xe.
- Đảm bảo lực lái thích hợp : Công dụng chính của trợ lực là giảm lực đánh lái, mức độ giảm lực lái phải phù hợp với từng điều kiện chuyển động của xe. Nói chung, cần lực lái lớn khi xe đứng yên hay chạy chậm. Ở tốc độ trung bình cần lực lái nhỏ hơn và lực lái giảm dần khi tốc độ tăng.
- Thời gian tác động của cường hoá phải là tối thiểu.
Như vậy sử dụng hệ thống trợ lực lái phải đảm bảo tính năng vận hành của xe, giảm được lực đánh lái. Tuy nhiên, hệ thống lái có trợ lực kết cấu phức tạp hơn và khối lượng bảo dưỡng cũng tăng lên so với hệ thống lái không có trợ lực.
1.2. Chọn loại trợ lực
Với xe du lịch 7 chỗ ta dùng trợ lực thuỷ lực với các ưu điểm sau:
- Có áp suất trong hệ thống thuỷ lực lớn: p = 4¸ 10 (MN/cm2) nên giảm được kích thước và trọng lượng xi lanh lực.
- Tác dụng của bộ trợ lực nhanh, thời gian chậm tác dụng của bộ trợ lực không chậm quá 0,02 ¸ 0,04 (giây) nhờ vận tốc truyền áp suất trong chất lỏng.
2. Lựa chọn phương án bố trí cường hóa
2.1. Chọn phương án bố trí cường hóa
Hệ thống trợ lực lái là một hệ thống tự điều khiển, nó bao gồm: nguồn năng lượng, van phân phối và xilanh lực. Tuỳ thuộc vào việc sắp xếp các bộ phận trên vào hệ thống lái có thể chia ra các phương án sau:
- Trợ lực lái bố trí cùng với đòn kéo ngang.
- Van phân phối, xilanh lực đặt thành một cụm, tách biệt với cơ cấu lái.
2.2. Chọn van phân phối
Van phân phối có hai dạng được dùng phổ biến là loại van trượt và loại van xoay. Loại van trượt có kết cấu phức tạp. Với cơ cấu lái của xe thiết kế, loại van xoay có kết cấu gọn, không có độ dịch chuyển dọc nên thích hợp để sử dụng.
3. Tính toán cường hóa
3.1. Công tiêu hao của người lái để quay vành tay lái
Thay số ta được: Atb = 85 N
Mặt khác đối với xe du lịch công trung bình giới hạn
Vậy Atb < [Atb], thỏa mãn điều kiện.
Ta thừa nhận lực lớn nhất của người lái đặt vào vành tay lái Pv = 160N
- Mômen cản quay vòng được truyền tới tay người lái từ mặt đường:
Vậy Mcl = 97 Nm
* Lực đặt lên vành tay lái để gài trợ lực:
Đối với ô tô du lịch giá trị này thường nằm trong khoảng 20 – 40N. Đối với xe thiết kế ta chọn là: Po = 30 (N).
* Chỉ số hiệu quả tác dụng: là tỷ số giữa lực đặt vào vành tay lái khi không có trợ lực và khi có trợ lực:
Thay số được: H = 2,7
Với Pv = 160 (N) là lực lớn nhất đặt vào vành tay lái khi có trợ lực.
Chỉ số H thường lấy < 4. Do đó H = 2,7 là hợp lý.
3.2. Xây dựng đặc tính cường hóa lái
Theo giáo trình thiết kế tính toán ô tô thì thì đặc tính của cường hóa chỉ rõ sự đặc trưng của quá trình làm việc của bộ cường hóa hệ thống lái.
Qua đây ta thấy khi không có cường hóa thì lực đặt lên vành tay lái chỉ phụ thuộc vào mô men cản quay vòng của bánh xe dẫn hướng. do đó đường đặc tính là những đường bậc nhất đi qua gốc tọa độ. Theo tính toán ở phần trước khi quay vòng ô tô tại chỗ mô men cản quay vòng là lớn nhất, tọa độ xác định điểm này trên đường đặc tính là B. Vậy đường đặc tính được xác định sẽ đi qua gốc tọa độ và đi qua điểm B.
- Ta thấy rằng:
+ Đặc tính khi chưa có cường hóa là đường bậc nhất, đoạn OB.
+ Đặc tính khi có cường hóa là đường bậc nhất gãy khúc và thấp hơn đường đặc tính khi chưa có cường hóa.
+ Đoạn AC: Pc = f(Mc). Biểu thị lực mà người lái cảm nhận về chất lượng mặt đường, điểm C, chọn Pc = 160N .
+ Từ C trở đi: Pc = f(Mc) song song với đường Pl = f(Mc).
+ Hiệu số các tọa độ của hai đường Pl và Pc chính là lực tạo nên bởi bộ cường hóa. Lực này phải phụ thuộc vào áp suất môi trường làm việc và đường kính của xi lanh.
3.3. Tính toán xi lanh lực
Kích thước của xi lanh lực cần phải đủ lớn để đảm bảo sinh ra được lực cần thiết trong khi áp suất chất lỏng trong hệ thống trợ lực lái là có giới hạn. nếu kích thước nhỏ thì áp suất dầu trợ lực phải lớn và ngược lại.
Thay số: Px = 270.16.0,8 = 3456 (N)
Thay số vào ta được: D = 34,55 (mm)
Ta lấy Dx = 36 (mm)
* Chọn đường kính ngoài và kiểm bền xi lanh lực
Lấy chiều dày của xi lanh lực là 4mm, thì đường kính ngoài của xi lanh lực là: Dn = 44 (mm)
3.4. Xác định năng suất của bơm
Năng suất của bơm được xác định từ điều kiện là làm thế nào để xi lanh lực của cường hóa phải làm quay bánh xe dẫn hướng nhanh hơn điều kiện có thể làm được của người lái. Nếu điều kiện này không được đảm bảo thì trong những trường hợp quay vòng nhanh thì người lái sẽ bị tiêu hao một lực lớn. Vì không chỉ thắng lực cản quay vòng ở bánh xe dẫn hướng mà còn đẩy dầu đi từ phần này sang phần kia của xi lanh lực.
=> Từ đó ta chọn bơm cường hóa:
- Bơm cánh gạt kép có kết cấu nhỏ, hiệu suất từ 0.7 – 0.8, áp suất có thể đạt 100at, lưu lượng từ 5 – 100 l/p
- Ký hiệu bơm:
- Lưu lượng bơm: 6 (l/p)
- Số vòng quay roto: n = 950 (vòng/phút)
- Hiệu suất bơm: 0,78
- Hiệu suất toàn phần: 0,6
3.5. Tính các chi tiết của van phân phối
3.5.1. Tính góc xoay của van quay
Thay số: A = 0,06 (cm)
Khi tính đến sự tiết lưu trong các đường rãnh dầu lấy 0,08cm
Do quá nhỏ nên lấy A'' = 0,01cm
3.5.2. Các thông số khác
* Tính toán thanh xoắn:
Ta chọn vật liệu chế tạo thanh xoắn là thép lò xo có mô đun đàn hồi: G = 8.104 (N/mm).
Ta phải tính đường kính của thanh xoắn sao cho khi bắt đầu trợ lực, ứng với lực đặt lên vành tay lái là Pvl = 30N thì thanh xoắn phải xoắn là 0,045rad.
PHẦN IV
THÁO LẮP BẢO DƯỠNG VÀ CHẨN ĐOÁN HƯ HỎNG HỆ THỐNG LÁI
1. Tháo cơ cấu lái
- Kẹp cơ cấu lái trên êtô
- Tháo thanh dẫn động lái: nới lỏng đai ốc hãm, đánh dấu ghi nhớ vị trí lên thanh lái và thanh răng. Sau đó tháo thanh nối và đai ốc hãm.
- Tháo cao su che bụi: trước tiên tháo các kẹp, sau đó tháo cao su che bụi, cuối cùng đánh dấu cao su bên trái và bên phải.
- Tháo các đầu thanh răng và đệm vấu.
- Tháo đai ốc hãm nắp lò xo dẫn hướng thanh răng.
2. Lắp cơ cấu lái
- Bôi mỡ gốc molyden disunphua liti vào các vị trí: toàn bộ trục răng, thanh răng, ổ lăn, đầu thanh dẫn động lái, bạc, dẫn hướng thanh răng…
- Lắp thanh răng vào trong vỏ thanh răng.
- Lắp trục răng vào vỏ, cùng với ổ bi trên dưới, nắp dưới.
3. Lắp ráp các cụm cường hóa
3.1. Lắp ráp các bộ phận của xi lanh
Piston được hàn trước một mảnh vào thanh răng ở vị trí xác định, ta đặt xéc măng vào sau đó lắp nốt mảnh nữa của piston sao cho xéc măng rơi khít vào trong khe hở, lắp phanh hãm vào hốc của piston và thanh răng. Vậy là hoàn toàn xong phần xy lanh.
3.2. Lắp van phân phối
- Lắp thanh xoắn vào vỏ trục răng sau đó đóng bạc vào tỳ lên đầu dưới của thanh xoắn để giữ cứng thanh xoắn ở dưới nghĩa là chỉ có phần giữa của thanh xoắn được xoay một góc nhỏ chỉ đủ để mở cho các đường dầu chảy sang cường hóa.
- Lắp gioăng nhỏ vào thân của thanh xoắn.
- Cắm thanh xoắn vào lỗ của trục thanh xoắn được định vị cứng bằng một chốt để có tác dụng khi nào cường hóa không có tác dụng (không có áp xuất dầu trong đường ống) thì thanh xoắn xoay van ống trong và trục răng xoay.
4. Chẩn đoán những hư hỏng của hệ thống lái và cách khắc phục
Hệ thống lái phải đảm bảo cho ôtô chạy đúng hướng mong muốn, ở bất kỳ điều kiện đường xá nào và bất kỳ tốc độ nào của ôtô. Người lái không phải mất nhiều công sức để điều khiển vành tay lái, khi xe chạy thẳng cũng như khi thao tác lái. Trong quá trình vận hành sử dụng xe, các chi tiết của hệ thống lái thường xuyên làm việc.
5. Bảo dưỡng hệ thống lái
5.1. Bảo dưỡng kỹ thuật hệ thống lái
Trong bảo dưỡng kỹ thuật hàng ngày, kiểm tra khoảng chạy tự do của tay lái và cả tác động của hệ thống lái đối với đường đi của ôtô. Cần xem tình trạng bên ngoài các tấm đệm khít của cácte cơ cấu lái để ngăn ngừa tình trạng rò rỉ dầu.
5.2. Sửa chữa các chi tiết trong hệ thống lái
Để xác định mức độ mài mòn và tính chất sửa chữa, phải tháo rời các chi tiết trong hệ thống lái.
Khi tháo tay lái phải dùng van tháo. Những hư hỏng chính của các chi tiết hệ thống lái là: mòn thanh răng – bánh răng, ống lót, vòng bi và ổ lắp vòng bi.
Phải thay thanh răng của cơ cấu lái nếu bề mặt làm việc của thanh răng mòn rỏ rệt hay lớp tôi bị tróc ra. Thải bỏ cung răng nếu bề mặt có khe nứt hay vết lõm.
KẾT LUẬN
Kỹ thuật ôtô ngày càng được phát triển tới mức rất cao, thoả mãn những yêu cầu và đòi hỏi khắt khe về tính năng kinh tế, kỹ thuật môi trường, đặc biệt là an toàn chuyển động của ôtô ở tốc độ cao. Vì vậy trên ôtô được trang bị thêm rất nhiều hệ thống kỹ thuật cao để đảm bảo được các tính năng nói trên.
Sau một thời gian dài nghiên cứu, tính toán và thiết kế được sự trợ giúp tận tình của thầy: TS…………….. và các thầy cô trong bộ môn và toàn thể các bạn đồng nghiệp. Đến nay em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp với đề tài ‘‘Tính toán thiết kế hệ thống lái cho ôtô Toyota innova”.
Dựa trên những kiến thức đã học trong trường và kết quả thu được qua các đợt thực tập, em đã thực hiện đồ án với ba nội dung chính:
- PHẦN I: Nghiên cứu và phân tích một số vấn đề lý thuyết liên quan đến kết cấu đối với hệ thống lái ôtô.
- PHẦN II: Tiến hành chọn phương án thiết kế cụ thể hệ thống lái có trợ lực.
- PHẦN III: Phân tích các quy trình tháo lắp và bảo dưỡng hệ thống lái.
- PHẦN IV: Tháo lăp, chẩn đoán hu hỏng.
Thông qua đồ án tốt nghiệp đã phần nào nói lên được tác dụng và vai trò quan trọng của hệ thống lái, và những cải tiến kỹ thuật để việc điều khiển xe được dễ dàng hơn.
Mặc dù có nhiều cố gắng nhưng do thời gian và kinh nghiệm nghiên cứu còn hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót. Em mong các Thầy tận tình chỉ bảo, giúp đỡ.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà nội, ngày … tháng … năm 20…
Sinh viên thực hiện
………………….
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Lý thuyết ôtô máy kéo – Năm 1993
Nguyễn Hữu Cẩn, Dư Quốc Thịnh, Phạm Minh Thái, Nguyễn Văn Tài, Lê Thị Vàng.
2. Chi tiết máy Tập I, tập II – Năm 1997
Nguyễn Trọng Hiệp.
3. Thiết kế hệ thống lái ôtô - máy kéo, Trường ĐHBK Hà Nội – Năm 1991
Phạm Minh Thái.
4. Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí, tập 1 và 2, NXB giáo dục
Trịnh Chất, Lê Văn Uyển.
5. Bài tập kỹ thuật đo, NXB giáo dục.
PGS. TS. Ninh Đức Tốn.
"TẢI VỀ ĐỂ XEM ĐẦY ĐỦ ĐỒ ÁN"