LỜI NÓI ĐẦU

   Công cuộc đổi mới đất nước của nhân dân ta đã thu được thành tựu to lớn có ý nghĩa quan trọng, những tiền đề cho công nghiệp hóa, hiện đại hóa đã được hoàn thành về cơ bản, nước ta chuyển sang thời kỳ mới, thời kỳ đẩy mạnh công nghiệp hóa, hiện đại hóa.

   Để có được những tiền đề trên ngành công nghệ chế tạo nước ta trong những năm gần đây đã có những tiến bộ nhanh chóng, trong đó không thể không nói đến sự tiến bộ nhảy vọt của nền công nghiệp ô tô. Chỉ trong khoảng 10 năm trở lại đây, trên thị trường Việt Nam đã xuất hiện ngày càng nhiều các loại xe lắp ráp trong nước và nhập từ nước ngoài, với kiểu dáng thẩm mỹ, tiện nghi sang trọng, tốc độ cao, độ an toàn lớn, hiệu quả về kinh tế. Đặc biệt các loại xe này có tỷ lệ nội hóa ngày càng cao.

  Tai nạn về giao thông không những thiệt hại lớn về người mà còn gây thiệt hại lớn về tài sản của Nhà nước và của công dân. Theo [10]  thì trong tai nạn giao thông đường bộ 60 - 70% do con người gây ra (như lái xe say rượu, mệt mỏi, buồn ngủ v.v), 10  - 15% do hư hỏng máy móc, trục trặc kỹ thuật và 15  - 30% do đường sá quá xấu

  Trong nguyên nhân do hư hỏng máy móc, trục trặc kỹ thuật thì tỉ lệ tai nạn do các cụm được thống kê như sau:

Phanh chân: 52,2 -74,4%

Phanh tay:      4,9 -16,1%

Lái:               4,9 -19,2%

Ánh sáng:       2,3 -8,7%

Bánh xe: 2,5 -10%

Các hư hỏng khác: 2 -18,2%

  Qua số liệu trên đây thấy rằng cùng với hệ thống phanh hệ thống lái đóng vai trò quyết định trong việc đảm bảo chuyển động an toàn của xe. Cũng vì thế mà hệ thống lái ngày càng được cải tiến, tiêu chuẩn về thiết kế chế tạo và sử dụng hệ thống lái ngày càng nghiêm ngặt và chặt chẽ .

  Qua tìm hiểu và nghiên cứu kỹ cùng với yêu cầu nhiệm vụ của đồ án môn học tôi quyết định chọn đề tài: ‘‘Tính toán và thiết kế hệ thống lái cho ôtô tải hạng nặng’’

 Nội dung bao gồm :

- Giới thiệu chung về hệ thống lái.

- Xây dựng và chọn phương án thiết kế .

- Tính toán và kiểm bền cho chi tiết .

- Bản vẽ kết cấu cơ cấu lái.

  Do điều kiện thời gian hạn chế nên trong đồ án này tập chung vào cơ cấu lái là chủ yếu. Trong quá trình thực hiện không tránh khỏi những thiếu sót rất mong được các thầy và đồng nghiệp tận tình giúp đỡ.

 Xin chân thành cảm ơn!

                                                        ……, ngày...tháng…năm 20…

                                                          Học viên thực hiện

                                                        ……………….

CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU CHUNG HỆ THỐNG LÁI ÔTÔ

1. Mô tả chung hệ thống lái.

Hệ thống lái của ôtô dùng để thay đổi hướng chuyển động của ôtô nhờ  quay vòng các bánh xe dẫn hướng cũng như để giữ phương chuyển động thẳng hay quay vòng của  ôtô khi  cần thiết .

Đa số các ôtô hiện nay đều thực hiện quay vòng bằng cách thay đổi mặt phẳng lăn của bánh xe dẫn hướng. Phương pháp này có cấu tạo đơn giản, nhưng yêu cầu kích thước cơ sở hợp lý để tạo bán kính quay vòng nhỏ. Việc điều khiển các bánh xe trước được áp dụng trên các xe UAZ-469, GAZ-66, ZIL131, URAL-375, URAL-4320, KPAZ-255 ở xe nhiều cầu (8x8) việc điều khiển tiến hành nhờ hai cầu dẫn hướng phía trước áp dụng trên các xe BTR-60P, T-813, T-815, HUYNDAI.

Khi ôtô quay vòng với vận tốc rất chậm, có thể bỏ qua lực ly tâm gọi là trạng thái quay vòng tĩnh.

Khi ôtô quay vòng với vận tốc cao, ta xét đến lực ly tâm gọi là trạng thái quay vòng động.

Trong thực tế xe thường chuyển động ở tốc độ lớn, do vậy quay vòng động là chủ yếu, trong đó quay vòng thiếu, quay vòng thừa xảy ra do việc thay đổi tốc độ chuyển động, sự đàn hồi của lốp và hệ thống treo.

Vấn đề chất tải, độ đàn hồi của lốp có ảnh hưởng ở mức độ nhất định tới tính năng quay vòng và an toàn chuyển động của xe. Do vậy cần thiết phải hiểu rõ kết cấu của hệ thống lái.

2. Công dụng và phân loại hệ thống lái.

2.1. Công dụng

- Giữ phương chuyển động thẳng hoặc thay đổi hướng chuyển động của xe.

- Đảm bảo an toàn cho người và hàng hoá trên xe.

2.2. Phân loại hệ thống lái ôtô.

Có nhiều cách phân loại hệ thống lái:

a. Phân loại theo phương pháp chuyển hướng .

- Chuyển hướng hai bánh xe ở cầu trước.

- Chuyển hướng tất cả các bánh xe .

3.1.3. 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.

 Quan hệ hình học của ACKERMAN.

Quan hệ hình học của ACKERMAN là biểu thị  quan hệ góc quay  của các bánh xe dẫn hướng  quanh trục đứng với giả thiết tâm quay vòng tức thời của xe nằm trên  đường kéo dài của  tâm trục cầu sau .

Điều kiện quay vòng không trượt bên:

cotg õ - cotg ỏ =B₀ /L.                                                                (1)

Trong đó :

L : chiều dài cơ sở của xe.

B₀ : khoảng cách của hai đường tâm trụ quay đứng trong mặt phẳng  đi qua tâm trục bánh xe và song song với mặt đường .

ỏ,õ  : Góc quay của bánh xe dẫn hướng  phía trong và phía ngoài .  

Để đảm bảo điểu kiện  (1), trên xe sử dụng cơ cấu hình thang lái 4 khâu gọi là hình thang lái Đantô. Hình thang lái Đantô chỉ áp dụng gần đúng điều kiện trên, song do kết cấu đơn giản nên được dùng rất phổ  biến. Giá trị sai lệch so với lý thuyết từ 0⁰30^’ đến 1⁰ khi bánh xe dẫn hướng quay vòng gấp.

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

Dầm cầu đứng đóng vai trò là một khâu cố định, hai đòn bên dẫn động các bánh xe, đòn ngang liên kết với các đòn bên bằng những khớp cầu. Các đòn bên quay quanh đường tâm trụ đứng. 

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

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 tăng lên tuỳ thuộc vào kết cấu của cơ cấu lái, vị trí bố trí cơ cấu lái, dẫn động lái và hệ thống treo…nhưng vẫn đảm bảo quan hệ  hình học ACKERMAN, tức gần đúng với hình thang lái Đantô.

Hai phương pháp  bố trí dẫn  động lái điển  hình  ở hệ thống treo độc lập  được trình  bày theo hình dưới đây:

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

3.2. Hệ thống lái có trợ lực .

3.2.1. Công dụng và sự cần thiết của  trợ lực lái .

Trợ lực của hệ thống lái có tác dụng giảm nhẹ cường độ lao động của người lá, giảm mệt mỏi khi xe hoạt động trên đường dài. Đặc biệt trên xe có tốc độ cao, trợ lực lái còn nhằm nâng cao tính an toàn chuyển động khi xe có sự cố ở bánh xe như nổ lốp, hết khí nén trong lốp và giảm va đập truyền từ bánh xe lên vành tay lái.

Để cải thiện tính êm dịu chuyển động, phần lớn các xe hiện đại đều dùng lốp bản rộng, áp suất thấp để tăng diện tích tiếp xúc với mặt đường. Kết quả là cần một lực lái lớn hơn.

Lực lái có thể giảm bằng cách tăng tỷ số truyền của cơ cấu lái. Tuy nhiên việc đó lại đòi hỏi phải quay vô lăng nhiều hơn, thời gian quay vòng kéo dài.

Chính vì vậy trợ lực lái đựơc sử dụng phổ biến trên ôtô ngày nay .

3.2.2. Phân loại hệ thống trợ lực lái .

Trợ lực lái được chia thành nhiều kiểu và đều gồm 3 bộ phận chính : bơm, van điều khiển và xy lanh lực .

Trợ lực lái được chia thành các kiểu sau :

- Loại trợ lực thuỷ lực .

- Loại trợ lực khí(gồm cả cường hoá chân không) .

- Loại trợ lực điện.

- Loại trợ lực cơ khí.

Vị trí bố trí các bộ phận của trợ lực lái vào hệ thống lái:

- Van phân phối, xy lanh lực đặt chung trong cơ cấu lái, áp dụng trên xe ZIL-130,  ZIL-131.

- Van phân phối nằm trong cơ cấu lái, xy lanh lực đặt riêng, áp dụng trên xe URAL-375, URAL-4320.

- Van phân phối, xy lanh lực đặt thành cụm riêng, tách biệt với cơ cấu lái, áp dụng trên xe KPAZ- 255B.

- Xy lanh lực, van phân phối và cơ cấu lái riêng biệt nhau, áp dụng trên xe GAZ-66, BTR-60PB.

Hiện nay dạng bố trí thông dụng nhất  trên hệ thống lái của xe  là van phân phối, xy lanh lực và cơ cấu lái đặt chung.   

3.3. Nguyên lý trợ lực lái .

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 xy 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.

3.3.1. Vị trí chung gian (khi xe chuyển động thẳng).

Nếu van ở vị trí chung 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 lên piston không chuyển động về hướng nào.

3.3.2. Khi quay vòng .

Khi trục lái chính quay theo bất kỳ hướng nào, giả sử quay sang phải thì van điều khiển cung 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. Như vậy tạo ra sự trênh lệch áp suất giữa hai khoang trái và phải của piston. Sự trênh lệch áp suất đó làm piston dịch chuyển về phía có áp suất thấp, dầu bên áp suất thấp sẽ được đẩy qua van điều khiển về bơm.

CHƯƠNG 2

TÍNH TOÁN HỆ THỐNG LÁI

1. Các số liệu thiết kế .

1.1. Theo yêu cầu của đồ án môn học tham khảo số liệu.

Xe tải hạng nặng.

Chiều dài toàn bộ : 7355 mm

Chiều cao toàn bộ  : 2870 mm

Khoảng cách giữa hai trụ  quay đứng : B₀=1700 mm

Chiều dài cơ sở của cầu dẫn hướng : L=4225 mm.

Trọng lượng không tải : G₀=8020 KG

Trọng lượng toàn tải :  G_T=13425 KG.

Ký hiệu lốp :  14.00-20

Trọng lượng toàn tải phân bố ra cầu trước : G_T1=4350 KG

Trọng lượng toàn tải phân bố ra cầu giữa và cầu sau : G_T2=G_T3=9075 KG

1.2. Yêu cầu thiết kế hệ thống lái .

- Quay vòng ngặt trong thời gian ngắn nhất trên diện tích nhỏ nhất .

- Lực lái nhẹ, tức lực đặt trên vành tay lái phải nhỏ nhưng phải đảm bảo cảm giác tới người lái.

- Ôtô chuyển động thẳng phải ổn định đặc biệt ở tốc độ cao.

- Động học quay vòng đúng, các bánh xe khi quay vòng phải lăn theo tâm quay tức thời để đảm bảo các bánh xe lăn không bị trượt trên đường, tránh mòn lốp nhanh và tiêu hao công suất cho lực ma sát .

- Đặt cơ cấu lái trên phần được treo để kết cấu  của hệ thống treo bánh trước không ảnh hưởng tới động học cơ cấu lái .

2. Chọn phương án thiết kế .

2.1. Chọn phương án dẫn động lái.

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

Phần tử cơ bản của dẫn động lái là hình thang lái Đantô nó được tạo bởi cầu trước, đòn kéo ngang và các đòn kéo bên. 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. Hiện nay người ta chỉ đáp ứng gần đúng mối quan hệ động học đó  bằng hệ thống khâu khớp và đòn kéo tạo nên hình thang lái.

Với xe thiết kế là xe tải hạng nặng, có hệ thống treo phụ thuộc ta chọn phương án dẫn động lái như hình vẽ với hình thang lái Đantô (hình thang lái 4 khâu).

a. 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.

Dựa vào những ưu điểm đã trình bày trong phần tổng quan cơ cấu lái và điều kiện làm việc của xe, ta chọn phương án cho cơ cấu lái là loại trục vít -đai ốc-thanh răng - cung răng.

b. Chọn phương án trợ lực lái .

 Yêu cầu đối với trợ lực lái .

- 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 có thể lái  được  xe mà không cần tới trợ lực lái, nhưng với một lực lái lớn hơn .

- Đảm bảo lực lái thích hợp : Công dụng chính của trợ lực lái là giảm lực lái đồng thời đó là một cơ cấu an toàn, mức độ giảm lực lái phải phù hợp với từng điều kiện chuyển động của xe. Ở tốc độ trung bình cần lực lái nhỏ hơn và lực lái giảm dần khi tốc độ tăng, cùng lúc đó “cảm giác đường “ phải đựơc truyền tới người lái.

-  Khắc phục hiện tượng tự cường hoá khi ôtô vượt  qua chỗ lõm, đường xấu, có khả năng cường hoá lúc lốp xe bị hỏng, để khi đó người lái vừa phanh ngặt, vừa giữ được hướng chuyển động ban đầu của xe .

- Thời gian cường hoá phải là tối thiểu và chỉ cường hoá khi lực  quay vòng lớn.       

Với nhiệm vụ thiết kế  ta chọn phương án trợ lực thuỷ lực vì nó có các ưu điểm sau :

+ Kích thước và khối lượng  gọn nhẹ ,dễ bố trí .

+ Có hiệu quả tác động cao đặc biệt là tính tuỳ động.

+ Tốc độ tác động cao (độ chậm tác dụng khoảng 0,05 giây).

+ Đóng vai trò giảm những va đập từ  mặt đường lên hệ thống lái .

+ Hệ thống tuần hoàn kín nên độ an toàn hoạt động cao và ít xảy ra hư hỏng.

3. Tính toán thiết kế  hệ thống lái.

3.1. Tính mômen quay vòng cực đại.

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 mặt lực bên Y, mô men ổn định của bánh xe dẫn hướng.

M_C = M₁+M₂+M₃

+ Mô men cản quay vòng gây nên do lực cản lăn:

M₁  = 2P_fc = 2G_bx. f.c                                             (2.1)

 c - Cánh tay đòn của lực P_f  quay xung quanh trụ đứng.

Theo kinh nghiệm  c : Xe tải lớn và xe khách  60 - 200 mm. nên ta chọn sơ bộ c=70 (mm)

+ 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 » 0,14. G_bx. j_y .r_bx                                                       (2.2)

j_y - Hệ số bám ngang 0,8

r_b -  Bán kính bánh xe

c. Tỷ số truyền của hệ thống lái.

Tỷ số truyền của hệ thống lái bằng tích số của tỷ số truyền cơ cấu lái và tỷ số truyền của dẫn động lái (i_d).

i=i_w.i_d

Giá trị tỷ số truyền chọn sơ bộ i=24.1=24

d. Tỷ số truyền lực của hệ thống lái.

P_D : Là lực cản quy dẫn của cầu dẫn hướng về đầu đòn quay đứng.

M_c: Mômen cản quay vòng các bánh xe cầu dẫn hướng.

l_n : Là kích thước đòn ngang. Ln=330 mm

Mômen quay trục đòn quay đứng:

M_d=P_D.l_d

M_d=1045.0,290=303,168(KG.m)

Gọi d_rq ,d_tv lần lượt là đường kính vòng chia bánh răng rẻ quạt và trục vít vô tận.

h, H- lần lượt là chiều cao làm việc của ren vít và chiều cao của êcu.

 [p] -áp suất trên bề mặt ren vít. Đối với vật liều chế tạo trên ta chọn:

 [p] =6MPa

x- Số vòng ren của êcu

Z_M- Hệ số xét đến cơ tính của vật liệu.

Do bánh răng rẻ quạt chế tạo bằng thép  nên Z_M=275(MPa)^1/2_.

Vì hiện tượng tróc rỗ xảy ra tại phần chân răng gần vùng tâm ăn khớp,nên ta tính toán độ bền tiếp xúc của răng tại tâm ăn khớp.

Đối với bánh răng trụ răng thẳng cường độ tải trọng pháp tuyến,có xét đến sự phân bố không đều tải trong theo chiều rộng vành răng và tải trọng động.

Thoả mãn tiêu chuẩn thiết kế.

3.3.5. Chọn đường kính của trục đòn quay đứng.

Khi quay vành lái, trục đòn quay đứng chịu mômen lớn nhất so với tất cả các chi tiết của hệ thống lái. Thêm vào đó là tỷ số giữa chiều dài của đòn quay đứng và đòn kéo ngang gần như bằng một, nên có thể xem như toàn bộ mômen để khắc phục lực cản quay vòng của các bánh xe dẫn hướng đều được truyền qua đòn quay đứng. Vì vậy, đường kính trục đòn quay đứng phải được xem là một trong những kích thước cơ bản của cơ cấu lái khi chọn lựa cơ cấu lái hoặc khi tính toán thiết kế mới.

M_c - Mômen cản quay vòng.

t₀’ - Giới hạn bền xoắn (t₀’ = 800KG/cm²).

k - Hệ số dự trữ độ bền (chọn k = 1,2).

Mômen cản quay vòng đã được xác định ở phần trên, M_c = 344,98 (KG.m)

Thay những giá trị vào công thức ta xác định được:

d = 43mm, phù hợp với số liệu thực tế đo được.

4. Tính trục lái.

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).

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

Suy ra thoả mãn tiêu chuẩn thiết kế.

5. Nhận xét.

Đồ án này đã giải quyết được một số vấn đề sau:

- Giới thiệu hệ thống lái và các yêu cầu làm việc.

- Đi sâu phân tích những kết cấu điển hình .

- Dựa trên những số liệu tham khảo và tiêu chuẩn thiết kế để thiết kế cơ cấu lái thoả mãn yêu cầu đặt ra.

- Qua kiểm tra các chi tiết đều đủ bền.

KẾT LUẬN

   Kỹ thuật ôtô  ngày càng được phát triển tới mức rất cao, thoả mãn những yêu cầu và đòi hỏi khắt khe của nhiều yếu tố:kinh tế, môi trường đầu tư, thị hiếu của người tiêu dùng.v.v.. 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 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 ……………, các thầy cô trong bộ môn xe quân sự và  các bạn đồng nghiệp, nay em đã hoàn thành bản đồ án.

   Thông qua đồ án đã phần nào nói lên được tác dụng và vai trò quan trọng của hệ thống lái. Từ đó có những cải tiến kỹ thuật để nâng cao độ an toàn chuyển động và 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, cô tận tình chỉ bảo giúp đỡ.

   Em xin chân thành cảm ơn !

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. Cấu tạo ôtô quân sự - Năm 1995.

Vũ Đức Lập, Phan Đình Vi

3. Lý thuyết ôtô quân sự- Năm 2001.

Nguyễn Phúc Hiểu.

4. Sổ tay tra cứu tính năng kỹ thuật ôtô.

Vũ Đức Lập.

5. Thiết kế tính toán ôtô - máy kéo - Năm 1971.

Trương Minh Chấp, Dương Đình Khuyến, Nguyễn Khắc Trai.

6. Chi tiết máy Tập I, tập II - Năm 1997.

Nguyễn Trọng Hiệp.

"TẢI VỀ ĐỂ XEM ĐẦY ĐỦ ĐỒ ÁN"