MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH.........................................................................................................iii
DANH MỤC BẢNG.......................................................................................................iv
MỞ ĐẦU........................................................................................................................1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LÁI TRÊN Ô TÔ CON............................ 2
1.1. Giới thiệu chung về Toyota Fortuner 2012:...................................................... ..... 2
1.1.1. Các thông số kỹ thuật chính của ô tô Toyota Fortuner 2012:......................... .... 2
1.1.2. Khái quát hệ thống lái trên Toyota Fortuner 2012:....................................... ...... 4
1.2. Chung quy về hệ thống lái:.............................................................................. ...... 4
1.2.1. Công dụng, phân loại và yêu cầu:................................................................ ...... 4
1.2.2. Liên kết hệ thống lái với hệ thống treo:........................................................ ...... 6
1.2.3. Các chi tiết và bộ phận chính của hệ thống lái:............................................ ...... 7
1.2.4. Trợ lực lái:.......................................................................................................... 12
CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH KẾT CẤU & NGUYÊN LÝ HỆ THỐNG LÁI ......................17
2.1. Giới thiệu chung về hệ thống lái trên xe Toyota Fortuner 2012:............................17
2.2. Các thông số kỹ thuật của các chi tiết của hệ thống lái ô tô Fortuner 2012: .... 18
2.3. Kết cấu và nguyên lí làm việc của hệ thống lái ô tô Toyota Fortuner 2012: ..... 19
2.3.1. Vành tay lái:....................................................................................................... 19
2.3.2. Trục lái và trục các đăng:................................................................................ .. 19
2.3.3. Cơ cấu lái:............................................................................................ ............. 20
2.3.4. Dẫn động lái:.................................................................................................... . 22
2.3.5. Trợ lực lái:.................................................................................................. ....... 23
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG LÁI FOTUNER 2012 ....................28
3.1. Các thông số chính của hệ thống lái ô tô Toyota Fortuner 2012:.......................... 28
3.2. Xác định momen cản quay vòng của bánh xe dẫn hướng:.................................. 28
3.3. Xác định lực tác dụng lên vô lăng:..................................................................... .. 32
3.4. Tính toán xác định các thông số cơ bản của hình thang lái:............................ ,.. 33
3.4.1.Trường hợp xe đi thẳng:........................................................................... ......... 34
3.4.2. Trường hợp xe quay vòng:........................................................................... .... 35
3.4.3. Thiết kế dẫn động lái:.................................................................................. ..... 35
3.5. Thiết kế cơ cấu lái:...................................................................................... ........ 39
3.5.1. Xác định các thông số của bánh răng:......................................................... .... 40
3.5.2. Xác định kích thước và thông số của thanh răng:.................................. .......... 41
3.5.3. Tính bền cơ cấu trục răng – thanh răng:.............................................. ............ 42
3.6. Thiết kế kết cấu và kiểm tra dẫn động lái:................................................... ........ 46
3.6.1. Kiểm nghiệm sức bền của trục lái:......................................................... .......... 46
3.6.2. Kiểm nghiệm bền thanh nối bên dẫn động lái:........................................ ....,.... 46
3.7. Thiết kế trợ lực lái:..................................................................................,,. .......... 48
3.7.1. Xác định các thông số cơ bản của trợ lực lái:............................................ ...... 48
3.7.2. Mô men cản mà trợ lực cần phải khắc phục:............................................. ...... 49
3.7.3. Chỉ số hiệu quả tác dụng của trợ lực:........................................................ ...... 50
3.7.4. Xây dựng đường đặc tính trợ lực lái:...................................................... ......... 50
3.7.5. Xác định đường kính trong xi lanh lực:................................................ ............ 52
3.7.6. Chọn đường kính ngoài và kiểm tra bền xilanh lực:...................................... .. 53
3.7.7. Xác định năng suất của bơm:........................................................................... 53
KẾT LUẬN....................................................................................................,............. 55
TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................................. 56
MỞ ĐẦU
Đồ án tốt nghiệp là một điều kiện cần để các sinh viên sau khi hoàn thành khóa học có thể tốt nghiệp. Vào học kỳ cuối, những sinh viên đủ điều kiện sẽ được làm đồ án tốt nghiệp. Thực hiện đề tài tốt nghiệp là cơ hội để sinh viên tổ hợp kiến thức, thể hiện khả năng, tìm hiểu thực tế và trau dồi thêm những kỹ năng cần thiết trước khi ra trường.
Như chúng ta biết, ô tô với đặc điểm có tính cơ động và linh hoạt cao đã trở thành phương tiện rất cần thiết trong ngành giao thông vận tải. Ngày nay, ô tô là một thành viên không thể thiếu của xã hội. Ô tô đã đóng góp một vai trò chính trong sự phát triển của nền công nghiệp và kinh tế. Đồng thời, nó còn là phương tiện nâng cao tiện nghi đời sống và hỗ trợ giao lưu, phát triển văn hóa xã hội. Do vậy, khi đủ điều kiện để làm đồ án tốt nghiệp, em đã chọn thực hiện đề tài: “Thiết kế hệ thống lái trên xe TOYOTA FORTUNER 2012”.
Được sự hướng dẫn tận tình và xuyên suốt của thầy: và , cùng với sự giúp đỡ của các thầy cô trong bộ môn cơ khí ô tô, với sự nổ lực của bản thân, em đã hoàn thành được đề tài của mình. Tuy nhiên do kiến thức, kinh nghiệm, thời gian và điều kiện có hạn, nên đề tài của em còn rất nhiều sai sót và còn nhiều vấn đề chưa giải quyết triệt để. Vì vậy, em rấ mong nhận được sự góp ý của thầy cô và bạn bè để em có thể hoàn thành tốt hơn nữa đề tài cua mình.
Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn chân thành và chúc sức khỏe đến thầy giáo hướng dẫn : PSG.TS…….……….. và các thầy cô giáo khoa cơ khí ô tô và các bạn bè đã giúp đỡ em trong qua trình thực hiện đề tài này.
TP. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 20…
Sinh viên thực hiện
…………………
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LÁI TRÊN Ô TÔ CON
1.1. Giới thiệu chung về Toyota Fortuner 2012
Toyota Fortuner ra mắt năm 2012 ngay lập tức gây sốt trong lĩnh vực SUV địa hình, thiết lập chuẩn mực mới cho xe địa hình tại thị trường ô tô Việt Nam. Mẫu xe Toyota mới này cùng với Toyota Altis và Toyota Innova liên tục đứng trong top 3 mẫu xe bán chạy nhất Việt Nam trong nhiều năm qua.
1.1.1. Các thông số kỹ thuật chính của ô tô Toyota Fortuner 2012
Thông số xe Toyota Fortuner 2012 như bảng 1.1.
1.1.2. Khái quát hệ thống lái trên Toyota Fortuner 2012
Hệ thống lái trên Fortuner 2012 là hệ thống lái có trợ lực bằng thủy lực và các kiểu truyền dẫn là kiểu bánh răng thanh răng. Với tỉ số truyền biến thiên trên tay lái và kết hợp với việc đánh lái nhẹ nhàng, êm dịu từ kiểu truyền động bánh răng thanh rang đã khiến xe Fortuner được trở thành dòng xe ưa chuộng trong giới SUV phổ thông tại Việt Nam.
Dẫn động hệ thống lái trên Fortuner thông qua trục lái, khớp các đăng và các khâu khớp trong hình thang lái, cơ cấu lái và bơm trợ lực lái được bố trí riêng, cơ cấu lái được bắt chặt vào khung xe và nối với trục lái bằng khớp các đăng.
Hệ thống lái trên Fortuner 2012 có tỉ số truyền iω =16,5
1.2. Chung quy về hệ thống lái
1.2.1. Công dụng, phân loại và yêu cầu
1.2.1.1. Công dụng
Hệ thống lái là một trong những hệ thống quan trọng của xe hơi, có vai trò giữ cho ô tô chuyển động theo quỹ đạo nhất định hoặc thay đổi hướng di chuyển của ô tô theo mong muốn của người lái.
1.2.1.2. Phân loại
a) Theo vị trí bố trí vô lăng
- Vô lăng bố trí bên trái (tính theo chiều chuyển động) dùng cho những nước xã hội chủ nghĩa trước đây, Pháp, Mỹ,...
- Vô lăng bố trí bên phải: dùng cho các nước thừa nhận luật đi đường bên trái như: Anh, Thuỵ Điển ...
c) Theo kết cấu, nguyên lí làm việc của trợ lực lái
- Các bánh xe dẫn hướng nằm ở cả hai cầu;
- Các bánh xe dẫn hướng ở tất cả các cầu;
1.2.1.3 Yêu cầu
Một cơ cấu lái tốt cần đạt được những tính năng sau: không đảo ngược, ổn định, chính xác, bền êm, không giật.
- Không đảo ngược: quay vành tay lái sẽ làm cho bánh trước quay quanh chốt của cơ cấu chuyển hướng, nhưng ngược lại không được để cho các phản lực của nền đường tác dụng lên bánh trước làm vánh tay lái quay.
- Ổn định: một cơ cấu lái ổn định khi nó luôn luôn có khuynh hướng tự quay về vị trí cân bằng làm cho xe lăn bánh trên đường thẳng, muốn vậy cần đảm bảo cho chốt và trục của cam quay được đặt ở một phương nhất định.
- Chính xác và bền: các chi tiết của cơ cấu lái phải được chế tạo bằng vật liệu chịu mòn và có sức bền tốt với kích thước chính xác.
1.2.3. Các chi tiết và bộ phận chính của hệ thống lái
1.2.3.1. Vô lăng
Vô lăng, còn được gọi là bánh lái, thường có hình tròn với các nan hoa và được sử dụng để tạo và truyền mô-men xoắn do người lái tác dụng lên trục lái. Các nan hoa có thể bố trí đối xứng hoặc không đối xứng, đều nhau hoặc không đều nhau tùy vào việc lái xe có thoải mái hay không.
1.2.3.2. Hình thang lái
Đây là bộ phận quan trọng nhất của thiết bị lái. Hình thang lái có nhiệm vụ đảm bảo lực quay chính xác của các bánh xe dẫn hướng. Mục đích là để bánh xe không bị quay khi vào cua, từ đó giảm độ mòn của lốp, giảm tổn thất điện năng và cải thiện độ ổn định.
Do các thông số kỹ thuật được chọn cho hình thang lái và do sử dụng bản lề tự động vượt qua nên không có hiện tượng chuyển động trong bộ truyền động, đảm bảo chuyển động quay chính xác của bánh dẫn hướng.
1.2.3.4. Cơ cấu lái
Cơ cấu lái thực chất là một hộp giảm tốc, có nhiệm vụ biến chuyển động quay tròn của vô lăng thành chuyển động góc (lắc) của đòn quay đứng và bảo đảm tăng mô men theo tỷ số truyền yêu cầu.
1.2.3.6. Hình học lái
Hình học lái là thuật ngữ biểu đạt mối quan hệ hình học trong hệ thống mặt đường - bánh xe - các bộ phận của hệ thống lái- các bộ phận của hệ thống treo.
a) Góc Caster
Góc nghiêng dọc của trục đứng: Độ nghiêng về phía trước hoặc phía sau của trục so với đường thẳng đứng của mặt đường. Nếu đầu trục quay nghiêng về phía sau bánh xe thì ta có độ nghiêng dọc dương. Nếu đầu trên trục quay nghiêng về phía trước bánh xe thì độ nghiêng dọc là âm.
b) Góc Camber
Góc doãng: là góc tạo bởi mặt phẳng quay bánh xe và mặt phẳng thẳng đứng, chiều dương ngược chiều kim đồng hồ khi nhìn từ đầu xe. Gồm có góc doãng âm và góc doãng dương.
d) Độ chụm bánh xe (Góc toe)
Khi nhìn từ trên xuống, mặt trước của hai bánh gần nhau hơn so với mặt sau của hai bánh, gọi là toe (cách sắp xếp ngược lại gọi là bánh xe hở). Độ chính xác được xác định bằng sự chênh lệch giữa hai khoảng cách giữa đầu nút sau (B) và đầu nút trước (A) của vành nằm ở độ cao tâm bánh xe.
Ảnh hưởng của chiều dài cơ sở:
- Ngăn ngừa khả năng bị ngón chân âm do ảnh hưởng của lực cản lăn khi có lực ma sát và độ đàn hồi ở cầu trước và hệ thống lái.
- Giảm ứng suất tại vùng tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường gây ra góc lệch của bánh dẫn hướng.
1.2.4. Trợ lực lái
1.2.4.1. Công dụng, phân loại và yêu cầu
a) Công dụng
Các xe tải lớn, xe buýt cao cấp và xe buýt hiện đại thường được trang bị các thiết bị tăng cường khả năng lái để:
- Giảm sức lao động của lái xe
- Nâng cao an toàn thể thao.
Khi ô tô đang chạy ở tốc độ cao và một lốp bị thủng, tính năng tăng cường khả năng lái sẽ đảm bảo người lái có đủ khả năng kiểm soát để giữ xe trên đường mà không bị nghiêng sang một bên.
b) Phân loại
Theo nguồn năng lượng:
- Trợ lực thủy lực;
- Khí trợ giúp (khí nén hoặc chân không);
- Trợ lực điện;
- Hỗ trợ cơ khí;
Máy trợ lực thủy lực được sử dụng phổ biến nhất vì chúng nhỏ gọn và hoạt động khá tin cậy.
Theo sơ đồ bố trí, nó được chia thành 4 loại:
- Cơ cấu lái, các bộ phận phân phối và xi lanh trợ lực được bố trí tập trung;
- Cơ cấu lái được bố trí riêng biệt, các bộ phận phân phối và xi lanh trợ lực được bố trí cùng nhau;
1.2.4.2. Thông số đánh giá
Pl - Lực tác dụng lên vành tay lái khi không có trợ lực;
Pc- Lực tác dụng lên vành tay lái khi đã có trợ lực trong những điều kiện quay vòng như trên;
Ph- Lực do bộ trợ lực đảm nhận qui về vành tay lái.
Chỉ số phản lực của trợ lực lên vành tay lái:
p = dPe/dPcq
Ở đây:
dPc - Số gia lực tác dụng lên vành tay lái đã có trợ lực;
dMc - Momen cản quay vòng của các bánh dẫn hướng.
Trong bộ trợ lực hiện nay r = 0,02- 0,05 [N/Nm].
Độ nhạy: độ nhạy của trợ lực lái đặc trưng bằng lực tác dụng lên vô lăng.
1.2.4.3. Sơ đồ bố trí
- Bất kỳ trợ lực lái nào cũng có ba bộ phận sau:
+ Nguồn lăng lượng: bơm dầu, máy nén + bình chứa hoặc ắc quy.
+ Bộ phận phân phối: dùng để phân phối đều chỉnh năng lượng cung cấp cho bộ phận
- Các bộ phận trên có thể được bố trí theo 4 sơ đồ sau:
+ Cơ cấu lái, bộ phận phân phối và xilanh lực bố trí chung thành một cụm như trên hình 1.12.
+ Cơ cấu lái, bộ phận phân phối, xi lanh lực bố trí riêng trên hình 1.14
+ Xilanh bố trí riêng, cơ cấu lái, bộ phận phân phối bố trí chung trên hình 1.15.
Chương 2: PHÂN TÍCH KẾT CẤU VÀ NGUYÊN LÝ HỆ THỐNG LÁI
2.1. Giới thiệu chung về hệ thống lái trên xe Toyota Fortuner 2012
Hệ thống lái của xe Toyota Fortuner là hệ thống lái có trợ lực lái. Cấu tạo của hệ thống lái bao gồm: Vành vô lăng, trục lái, trục các đăng truyền động, cơ cấu lái, bộ trợ lực thủy lực và bộ dẫn động lái. Trên xe Fortuner, cơ cấu lái và trợ lực lái được bố trí thành 2 cụm.
Sơ đồ bố trí này có những ưu điểm sau:
+ Cơ cấu lái có kết cấu gọn nhẹ;
+ Dễ dàng bố trí trợ lực lái;
+ Cải thiện tính nhất quán của sản phẩm;
Bộ trợ lực thủy lực có nhiệm vụ làm giảm bớt lực điều khiển của người lái và giảm lực tác động do mặt đường xấu sinh ra truyền tới vô lăng.
Bộ trợ lực cũng cải thiện độ an toàn trong trường hợp bánh dẫn hướng bị hư hỏng. Bởi lúc này người lái đã đủ sức để giữ vô lăng, giữ cho xe đi thẳng và phanh gấp.
Bơm trợ lực lái là loại bơm cánh gạt nằm trên thân động cơ và được dẫn động từ trục khuỷu động cơ thông qua dây đai.
Cơ cấu lái lựa chọn thiết kế trên xe Fortuner 2012 là loại thanh răng và bánh răng:
Loại này có cấu trúc nhỏ gọn, tỷ số truyền nhỏ, độ nhạy cao, chế tạo đơn giản và hiệu suất tuyệt vời
Sơ đồ bố trí hệ thống lái trên xe Fortuner 2012 như hình 2.1.
2.2. Các thông số kỹ thuật của các chi tiết của hệ thống lái ô tô Fortuner 2012
Các thông số đầu vào của xe như bảng 2.1.
2.3. Kết cấu và nguyên lí làm việc của hệ thống lái ô tô Toyota Fortuner 2012
2.3.1. Vành tay lái
- Chức năng: tiếp nhận lực, momen xoay vô lăng từ người điều khiển truyền tới trục lái rồi tới cơ cấu lái.
- Cấu tạo: vành tay lái ô tô Toyota Fortuner có dạng hình tròn, thiết kế với 4 chấu nan hoa để người lái có thể tì ngón cái và giữ vô lăng bằng 1 tay.
- Bán kính ngoài của vành tay lái là 195 mm.
2.3.3. Cơ cấu lái
Cơ cấu lái sử dụng trên xe Toyota Fortuner là loại bánh răng trụ - thanh răng, một thiết kế phổ biến và hiệu quả trong ngành công nghiệp ô tô.
Cơ cấu này bao gồm một bánh răng nối trực tiếp với một ống kim loại và một thanh răng được lắp trên một ống kim loại khác. Hai đầu của thanh răng được nối với nhau thông qua một thanh nối, có vai trò quan trọng trong việc tạo nên sự kết nối vững chắc và đảm bảo hoạt động đồng bộ của hệ thống lái. Kết cấu cơ khí này có dộ đơn giản nhất định, không chỉ phù hợp với thiết kế tổng thể mà còn đáp ứng được yêu cầu vận hành của Toyata Fortuner.
Cấu tạo của cơ cấu bánh răng – thanh răng có trợ lực gồm một xilanh và một piston ở ngay giữa kết hợp với hai đường dẫn chất lỏng hai bên piston, một dòng chất lỏng áp suất cao được bơm vào một đầu đường ống nhằm đẩy piston dịch chuyển. Khi dó, thanh răng dịch chuyển theo giúp tài xế có thể dễ dàng quay tay lái ở tất cả các phía.
Cơ cấu lái bánh răng trụ - thanh răng sử dụng chủ yếu trên các xe công suất bé. Vỏ của cơ cấu lái được làm bằng gang, trong vỏ có các bộ phận làm việc của cơ cấu lái, gồm trục răng ở phía dưới trục lái chính ăn khớp với thanh răng, vỏ của cơ cấu lái bánh răng trụ - thanh răng kết hợp làm luôn chức năng của thanh lái ngang trong hình thang lái.
2.3.4. Dẫn động lái
Dẫn động lái trên ôtô Toyota Fortuner bao gồm tất cả các chi tiết truyền lực từ cơ cấu lái đến ngỗng quay của các bánh xe. Bộ phận cơ bản và quan trọng nhất là hình thang lái đảm bảo động học quay vòng đúng cho các bánh xe không bị trượt lê khi quay vòng. Do đó làm giảm mài mòn lốp, giảm tổn hao công suất và tăng tính ổn định khi quay vòng.
2.3.5. Trợ lực lái
2.3.5.1. Bơm thủy lực
Bơm thủy lực của hệ thống lái ô tô có nhiệm vụ dẫn động bằng mômen động cơ thông qua truyền động puli - đai.
Bơm thủy lực gồm nhiều van cánh gạt để di chuyển hướng kính dễ dàng trong các rãnh của roto. Loại bơm này có nhiệm vụ dẫn dộng bằng puli – đai. Trong trường hợp roto quay, lực ly tâm tác động trực tiếp vào cánh gạt làm chúng văng ra, vây lấy một không gian kín hình ô van. Đồng thời, dầu thủy lực ở mức áp suất thấp bị kéo xuống và đẩy sang đầu ra có áp suất cao
2.3.5.3. Xy lanh
Trên xe Toyota Fortuner pit tông trợ lực và thanh răng dịch chuyển do áp suất dầu tạo ra từ bơm trợ lực lái tác động lên pít tông theo cả hai hướng. Trục van phân phối được nối với vô lăng. Khi vô lăng ở vị trí trung gian (xe chạy thẳng) thì van phân phối cũng ở vị trí trung gian. Do đó dầu từ bơm trợ lực lái không vào khoang nào mà quay trở lại bình chứa.
Xylanh lực trên Fortuner thể hiện như hình 2.11.
Chương 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG LÁI TRÊN TOYOTA FORTUNER 2012
3.1. Các thông số chính của hệ thống lái ô tô Toyota Fortuner 2012
Thông số chính của hệ thống lái Toyota Fortuner 2012 như bảng 3.1.
3.2. Xác định momen cản quay vòng của bánh xe dẫn hướng
Momen cản quay vòng có giá trị lớn nhất khi quay vòng ô tô tại chỗ. Momen cản quay vòng trong trường hợp này bao gồm: mômen sinh ra do lực cản lăn M1, momen cản của các phản lực ngang ở vết tiếp xúc M2 và momen ổn định các bánh xe dẫn hướng M3, tức là đối với một bánh xe dẫn hướng, được tính theo CT [1]:
Mcq = M1 + M2 + M3
Trong đó:
+ M1 » f.Gbx.a
+ Gbx= 0,5.G1 = 0,5. G1 = 0,5.12777,5 = 6388,7625 (N)
+ G1- Trọng lượng tác dụng lên cầu trước G1= 1302,5 (Kg) = 12777,5 (N)
+ f- Hệ số cản lăn: f = 0,018.
+ a: Cánh tay đòn, có thể xác định a theo công thức gần đúng theo CT [1].
- Chiều dài cánh tay đòn a:
Với bánh xe có cỡ lốp là 265/65R17
B = 256 (mm) =>H = B.65%= 172,5 (mm)
d = 17 (inch)
=> rbx= 0.96.388,15= 372,624 (mm) = 0,3726 (m)
+ α- Góc doãng của bánh xe; α = 20.
+ β- Góc nghiêng của trục chuyển hướng; β = 80.
- Chiều dài đòn quay đứng:
l = B1 - B/2
Trong đó:
+ B1- Chiều rộng cơ sở; B1= 1,54 (m)
+ B- Khoảng cách giữa hai tâm trụ quay đứng; B= 1,37 (m)
- Thế vào (3.3) ta được: l = 0,085 (m)
- Thế các giá trị trên vào (3.2) ta được: a = 0,02 (m).
- Từ công thức trên momen sinh ra do lực cản lăn M1:
M1» f.Gbx.a = 0,018. 6388,7625. 0,02= 2,3 (Nm)
- Mômen cản của các phản lực ngang ở vết tiếp xúc M2:
M2 = jn.Gbx.x = Y.x
Trong đó:
+ Y- Lực ngang tổng hợp;
+ x- Độ dịch về phía sau của điểm đặt lực ngang tổng hợp so với tâm diện tích tiếp xúc giữa lốp với mặt đường do sự đàn hồi bên của lốp gây ra (Hình 3.2)
Trên hình 3.3 là sơ đồ mô tả sự lăn của bánh xe đàn hồi khi không có và khi có lực ngang tác dụng. Do độ đàn hồi bên của lốp mà khi bánh xe đàn hồi lăn dưới tác dụng của lực ngang nó sẽ lăn lệch và vết tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường sẽ quay tương đối đối với mặt phẳng bánh xe (hình 3.3b). Biến dạng ngang của lốp tăng dần từ phía trước ra phía sau vết tiếp xúc làm cho điểm đặt lực ngang tổng hợp Y dịch về phía sau so với tâm một lượng x (hình 3.3c).
Từ công thức (3.4) ta có: M2 = jn.Gbx.x = 295,096 (Nm)
Thành phần mô men cản quay M3 khi tính toán có thể bỏ qua (do giá trị của nó khá nhỏ so với các mô men thành phần khác) hoặc tính đến bằng một hệ số nào đó.
+ hdđ- Hiệu suất của dẫn động lái; hdđ= 0,98.
+ idd - Tỷ số truyền của dẫn động lái; idd = 1,0.
+ KM3- Hệ số tính đến ảnh hưởng của mô men ổn định các bánh xe dẫn hướng M3;
Khi tính toán có thể lấy KM3= 1,07 – 1,15. Chọn KM3= 1,15
- Thế vào (3.5) ta được: Mc = 697,97 (N.m).
3.3. Xác định lực tác dụng lên vô lăng
- Lực tác dụng lên vô lăng được xác định theo công thức [1] sau:
Pvmax = Mc/R.ic.ηthl
Trong đó:
+ R- Bán kính vô lăng; R= 195 (mm) = 0,195 (m)
+ ic- Tỷ số truyền động học cơ cấu lái, ic=16,5
+ ηth- Hiệu suất thuận cơ cấu lái,cơ cấu lái sử dụng là loại bánh răng thanh răng nhờ có thêm bộ phận tăng cường khả năng ăn khớp bằng lò xo ép nên cơ cấu làm việc ít bị trượt vì thế mà hiệu suất rất cao và đạt khoảng ηth = 0,99.
Thay tất cả các giá trị ở trên vào công thức (3.6) ta tìm được lực tác dụng lên vô lăng là: Pvmax = 219,69 (N).
- Theo tài liệu [3]. Lực Pvlmax tính không được vượt quá giá trị cho phép là: 500 N
Tuy nhiên để điều khiển nhẹ nhàng người ta dùng trợ lực lái.
- Trên xe Toyota Fortuner 2012 Pc= 70 (N)
3.4. Tính toán xác định các thông số cơ bản của hình thang lái
- Nhiệm vụ của tính toán 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 của đòn quay đứng, khi có biến dạng của bộ phận đàn hồi hệ thống treo và chọn các thông số cần thiết của hệ thống truyền dẫn động lái.
- Hình học lái Ackerman là phương pháp quan trọng của truyền động lái đảm bảo cho các bánh dẫn hướng của ôtô chuyển động theo những cung với bán kính khác nhau trong khi quay vòng không sinh hiện tượng trượt để không gây hao mòn lốp.
3.4.1.Trường hợp xe đi thẳng
- Từ sơ đồ dẫn động lái trên hình 3.5 ta có thể tính được mối quan hệ giữa các thông số theo các biểu thức sau:
n = B - 2.m.cosθ
- Sai lệch trong quan hệ hình học của cơ cấu lái 4 khâu với quan hệ hình học Ackerman chỉ nằm ở góc quay bánh xe dẫn hướng lớn. Giá trị sai lệch so với lý thuyết từ 0o30’ đến 1o khi bánh xe dẫn hướng ở vùng quay gấp.
3.4.3. Thiết kế dẫn động lái
a) Xác định đường đặc tính lí thuyết
Trên hệ trục tọa độ đề các αOβ ta xác định được đường cong đặc tính lí thuyết qua quan hệ β =f(θ,x).
Thay số được: Cotgβ = Cotgα + 0,5
Ứng với giá trị của α từ 00, 50, 350, 400 lần lượt ta có các giá trị tương ứng của β. Các giá trị này được tính theo EXEL.
b) Xây dựng đường cong thực tế
Để xây dựng đường cong đặc tính hình thang lái thực tế ta phải xây dựng được đường cong biểu thị hàm số α = f(θ,β). Theo mối quan hệ này thì nếu biết trước một góc θ nào đó ứng với một giá trị của góc β thì ta có 1 giá trị của góc α.
+ α - Góc quay của trục bánh xe dẫn hướng bên ngoài
+ β - Góc quay của bánh xe dẫn hướng bên trong
+ L - Chiều dài cơ sở của xe; L= 2750 (mm)
+ B - Khoảng cách giữa tâm hai trụ đứng , B= 1370 (mm)
+ θ - Góc tạo bởi đòn bên hình thang lái và phương ngang
+ m - Chiều dài đòn bên hình thang lái, m thường lấy theo kinh nghiệm:
m = (0,14 – 0,16). B
=> Chọn m = 0,15.B = 0,15.1370 = 205,5 (mm)
Chọn sơ bộ góc θ ban đầu theo E.A Chudakop:
=> Ta được: θ= 20°
Cho θ các giá trị xung quanh giá trị sơ bộ (θ= 20°) và dựa vào công thức trên để tìm ra quan hệ thực tế giữa β và α
=> Cho θ = 18°, 19°, 20°, 21°
Theo bảng giá trị trên ta chọn góc θ sao cho sự sai lệch với đường lý thuyết nhỏ nhất và nhỏ hơn 1°, ta chọn được góc θ= 18°
Thông số cầu dẫn hướng là: θ = 18°
Độ dài đòn bên là: m= 205,5 (mm)
Dựa vào các số liệu trên bảng trên ta vẽ trên EXEL ta được đồ thị đặc tính hình học hình thang lái lý thuyết và thực tế trên cùng một hệ trục tọa độ như hình 3.7.
3.5. Thiết kế cơ cấu lái
Để xác định được bán kính vòng lăn của bánh răng ta có thể thực hiện theo các phương pháp sau:
+ Chọn trước đường kính vòng lăn của bánh răng từ đó tính ra vòng quay của bánh răng có phù hợp không. Có nghĩa là ứng với số vòng quay (n) nào đó thì thanh răng phải dịch chuyển một đoạn X= 101 mm
+ Chọn trước số vòng quay của vành lái rồi ssau đó xác định bán kính vòng lăn của bánh răng. Đối với cơ cấu loại bánh răng – thanh răng thì số vòng quay của vành lái cũng là số vòng quay của bánh răng.
Dựa vào xe tham khảo, chọn số vòng quay về một phía của vành lái ứng với bánh xe quay là n= 1,5 vòng.
Ta có công thức: X= 2π/R.n
Suy ra R = 10,7 (mm)
3.5.1. Xác định các thông số của bánh răng
+ Dc - Đường kính vòng chia: Dc = 2.R = 2.10,7= 21,4 (mm)
+ mn - Mô đun p/tuyến của bánh răng, chọn theo tiêu chuẩn mn = 2,5
+ β - Góc nghiêng ngang của bánh răng, chọn sơ bộ β = 120
Từ công thức trên ta suy ra số răng của bánh răng: Z = 8 (răng)
Chọn số răng Z= 8 răng
- Tính chính xác lại góc nghiêng, ta có: ctgβ = 0,934
=> β = arccos(0,934) = 20°
- Số răng tối thiểu:
Zmin= 17.cos3.β = 17.cos3.20°= 14
Lấy Zmin = 14
Như vậy Zmin = 14 > 8 do vậy có hiện tượng cắt chân răng nên phải dịch chỉnh, ta chọn kiểu dịch chỉnh đều φΣ theo công thức: φ = 0,429
Từ đó ta tính được các thông số của bộ truyền bánh răng:
. Đường kính vòng đỉnh:
Dd = Dc + 2.mn.(1 + φ) = 21,4 + 2.2,5.(1+0,429) = 28,545 (mm)
. Đường kính chân răng:
Df = Dc – 2.mn.(1,25 – φ) = 21,4 – 2.2,5.(1,25 – 0,429) = 17,295 (mm)
. Góc ăn khớp của bánh răng được chọn theo chi tiết máy α= 200
. Đường kính cơ sở của bánh răng:
D0 = Dc.cosα = 21,4.cos20° = 20 (mm)
. Chiều cao răng:
h = ( hf’ + hf’’).m = (1 + 1,25).2.5 = 5,625 (mm)
. Chiều cao đỉnh răng:
h' = (f’ + φ).m = (1 + 0,429).2,5 = 3,5725 (mm)
3.5.2. Xác định kích thước và thông số của thanh răng
Thay các thông số vào công thức (3.11) ta được: Chọn dtr = 30 mm
- Chiều dài đoạn làm việc của thanh răng: L= X1.2 = 202 (mm)
- Mô đun thanh răng là: m = 2,5
- Bước răng: t = 𝝅.m =3,14.2,5 = 7,85 (mm)
- Chiều cao của răng thanh răng: h = 2,5.m = 2,5.2,5= 6,25 (mm)
- Khoảng cách giữa 2 răng liên tiếp của thanh răng: y = L/Z =202/26 = 7,77
Với: β: Góc nghiêng của răng (hợp với phương ngang). Vậy góc nghiêng của răng β = 90° - 75° = 15°
3.5.3. Tính bền cơ cấu trục răng - thanh răng
Trong quá trình làm việc thanh răng chịu ứng suất uốn tiếp xúc và chịu tải trọng va đập từ mặt đường. Vì vậy thường gây ra hiện tượng rạn nứt chân răng. Do ảnh hưởng lớn tới sự tin cậy và tuổi thọ của cơ cấu lái. Để đảm bảo được những yêu cầu làm việc của cơ cấu lái thì vật liệu chế tạo thanh răng được dùng là thép XH được tôi cải thiện.
Ta có: [σch] = 700 (N/mm2)
[δb] = 1000 (N/mm2)
HB = 260 ÷ 290
3.5.3.1. Ứng suất tiếp xúc cho phép:
Giới hạn bền mỏi tiếp xúc của trục răng [2]:
σHlim = 2.HB + 70 = 2.260 + 70 = 590 (N/mm2)
Thay các thông số vào công thức (3.12) ta được: [sH] = 560,5 (N/mm2)
3.5.3.3. Kiểm nghiệm răng về độ bền tiếp xúc
+ ZM - Hệ số kể đến cơ tính của vật liệu. Vật liệu cơ cấu đều là thép nên chọn ZM = 274 (N/mm2)
+ α - Góc profin gốc. Theo TCVN 1056 – 71 thì α = 20°
+ ZH - Hệ số kể đến hình dạng bề mặt tiếp xúc: ZH = 1,74
+ ZƐ - Hệ số kể đến sự trùng khớp: ZƐ= 0,836
Thay các thông số vào công thức (3.15) ta được: σH =242,83 (N/mm2)
Thấy σH = 242,83 N/mm2 < [σH] = 560,5 (N/mm2).
Do đó thỏa điều kiện tiếp xúc
3.5.3.4. Kiểm nghiệm răng về độ bền uốn
+ YF - Hệ số dạng răng. Với hệ số dạng răng dịch chỉnh (tài liệu chi tiết máy). ξ = 0,647 và số răng tương đương.
+ KFβ - Hệ số kể đến sự phân bố không đều tải trọng trên chiều rộng vành răng. Tra bảng 6.7[2] ta được KFβ = 1,08
+ KFα - Hệ số kể đến sự phân bố không đều tải trọng cho các đôi răng đồng thời ăn khớp. Tra bảng 6.14[2] ta được KFα = 1,37
Thay các thông số vào công thức (3.15) ta được: σF =16,32 (N/mm2)
Ta thấy σF =16,32 N/mm2 < [σF] = 857,99 (N/mm2)
=> Vậy điều kiện được thỏa mãn => Bộ truyền trục răng – thanh răng đảm bảo đủ bền trong quá trình làm việc.
3.6. Thiết kế kết cấu và kiểm tra dẫn động lái
3.6.1. Kiểm nghiệm sức bền của trục lái
- Chọn sơ bộ kích thước trục lái :
. Đường kính trong: Dtl = 30 (mm)
. Đường kính ngoài: dtl = 22 (mm)
Mặc dù không có số liệu cụ thể về vật liệu chế tạo trục lái trên ô tô Toyota Fortuner 2012, nhưng đối với kết cấu của trục lái trên các ô tô hiện nay thường làm bằng vật liệu thép các bon 20, 30, 40 với ứng suất xoắn cho phép [τ] = 50 ÷ 80 MN/m2
Thay số vào công thức (3.20) ta được: τx = 11,16 (MN/m2)
Nếu giả sử trục lái trên ô tô Toyota Fortuner cũng chế tạo từ các vật liệu trên thì giá trị tính được trên đây τ = 11,16 MN/m2 cho thấy trục lái với kích thước thiết kế như vậy thỏa mãn độ bền xoắn.
3.6.2. Kiểm nghiệm bền thanh nối bên dẫn động lái
Để đảm bảo an toàn và tính ổn định của quá trình làm việc, đòn bên được làm bằng thép 20X.
Đòn có chiều dài X chịu mô men uốn bằng mô men cản quay ở một bên bánh xe (Mc/2). Do vậy ta tính theo điều kiện bền uốn.
Thay số dduwwocj: Mu = 348,985 (Nm)
Thay vào biểu thức (3.19) ta được:Wu = 95,72 (N/mm2)
Với thép 20X ta có: [σu] = 800N/mm2
Ta thấy: σu = 95,72 (N/mm2) < [σu] =800 (N/mm2)
=> Thỏa mãn điều kiện bền uốn.
Đòn có chiều dài Y thì chỉ chịu kéo (do chốt ở 2 đầu) lực dọc trục có bằng N.cos (epsilon), epsilon là góc giữa thước lái và đòn này, góc này nhỏ nên lực dọc trục tác dụng lên đòn này lấy xấp xỉ bằng N (lực dọc trục tác dụng lên thước lái)
N = Nk (3.21)
+ Bt - Chiều rộng vết bánh trước của xe, Bt = 1540 (mm)
+ B - Khoảng cách giữa tâm 2 trụ đứng, B = 1370 (mm)
Khoảng cách thước lái đến đường tâm trục xe: d =145 (mm)
Thay các giá trị vào công thức (3.24) ta được: N = 4194,55 (N)
=> N = Nk = 4194,55 (N)
3.7. Thiết kế trợ lực lái
3.7.1. Xác định các thông số cơ bản của trợ lực lái
+ φt - Góc quay trục lái (độ) từ vị trí trung gian tới mép ngoài cùng, xe tham khảo chọn φt = 576°
+ RVL - Bán kính vành lái, RVL= 195 mm = 0,195 m
+ PVL - Lực trung bình đặt vào vành lái;
Ô tô con PVL = 40N÷70N, Chọn PVL =50N
Thay số được: Atb = 98,01 (N.m)
Mặt khác đối với xe du lịch thì công trung bình giới hạn: [Atb] = 100 N.m
Như vậy: Atb < [Atb]. Do đó thỏa mãn.
Lực cực đại đặt lên vành tay lái khi có cường hóa, trên Toyota Fortuner Pc = 70N
Từ đó ta tính được phần trăm trợ lực là: 68%.
3.7.3. Chỉ số hiệu quả tác dụng của trợ lực
Theo tài liệu [5]: là tỉ số giữa lực đặt vào vành tay lái khi không có trợ lực và khi có trợ lực: Khq = 3,138
3.7.4. Xây dựng đường đặc tính trợ lực lái
Qua đây ta thấy khi không có trợ lực thì đặt lên vành tay lái chỉ phụ thuộc vào mômen cản quay vòng của các bánh xe dẫn hướng ( vì R, il, idd, ηth là những hằng số). Do đó đường đặc tính là những đường bậc nhất đi qua gốc tọa độ. Khi ô tô quay vòng thì mômen quay vòng lớn nhất, tọa độ xác định điểm này trên đường đặc tính là: B(698; 220). Vậy đường đặc tính xác định Pl = f(Mc) sẽ đi qua gốc tọa độ và đi qua điểm B(698; 220).
Khi hệ thống lái được lắp trợ lực đường đặc tính của nó biểu thị mối quan hệ giữa lực tác dụng lên vành tay lái và mômen cản quay vòng của các bánh xe dẫn hướng. Đây cũng là mối quan hệ bậc nhất.
Khi con trượt của van phân phối ở vị trí trung gian thì lực cường hóa quy dẫn lên vành tay lái Pc = 0 nên mômen cản quuay vòng Mc = 0.
Cụ thể người lái muốn quay vòng ô tô thì phải tác dụng một lực lên vành tay lái một lực Pl > Pc
Đồ thị đường đặc tính khi chưa có trợ lực lái Pl = f(Mc) và khi chưa có lực lái Pc = f(Mc
Ta thấy rằng :
- Đoạn OA: Pl = Pc = f(Mc). Lực do người lái hoàn toàn cảm nhận
- Đoạn AC: Pc = f(Mc). Biểu thị lực mà người lái cảm nhận về chất lượng mặt đường. Điểm C(698; 70).
- Từ C trở đi: Pc = f(Mc) song song với đường Pl = f(Mc).
Nếu chọn Pc lớn thì quay riêng các bánh xe dẫn hướng tại chỗ sẽ nặng hơn, còn nếu chọn Pc quá nhỏ thì người lái sẽ không đủ cảm giác về chất lượng mặt đường.
3.7.6. Chọn đường kính ngoài và kiểm tra bền xilanh lực
Chọn chiều dày của thành xilanh là 8mm thì đường kính ngoài của xilanh lực là:
Dn = 50+2.8 = 66 mm
Ứng suất tác dụng lên thành xilanh là: σ = 418 (kG/cm2)
Vật liệu làm xilanh là thép 40 XH có [σ] = 571,4 (kG /cm2)
Vậy: σ < [σ] => Xilanh thỏa mãn điều kiện bền.
3.7.7. Xác định năng suất của bơm
Lưu lượng bơm xác định từ điều kiện làm thế nào để xilanh của trợ lực phải kịp làm quay các bánh xe dẫn hướng nhanh hơn sự quay vòng của vành tay lái do người lái gây ra, nếu không trợ lực sẽ không có tác dụng.
+ Qb - Năng suất của bơm.
+ ηb - Hiệu suất của bơm. ηb = 0,75÷0,85, chọn ηb = 0,85
+ δ - Độ hụt dầu trong hệ thống. δ = 0,05÷0,1, chọn δ = 0,08
Vậy năng suất của bơm là: Qb ³ 108,15 (cm3/s)
Thực tế thì lưu lượng bơm còn phải lớn hơn như vậy để bù vào sự rò rỉ của van phân phối. Lưu lượng rò rỉ là ∆Q = (0,05÷0,1).Q, chọn ∆Q = 0,08.Q
=> Qtt =Q + ∆Q= 108,15 + 108,15.0,08 = 116,802 (cm3/s)
KẾT LUẬN
Sau gần 3 tháng làm đồ án với đề tài “Thiết kế hệ thống lái trên xe TOYOTA FORTUNER 2012” đến nay đồ án của em cơ bản đã hoàn thành.
Qua quá trình tìm hiểu và nghiên cứu để thực hiện đồ án, kiến thức thực tế cũng như kiến thức căn bản của em được nâng cao hơn. Em đã hiểu được sâu sắc hơn về hệ thống lái, đặc biệt là hệ thống lái xe FORTUNER 2012. Biết được các kết cấu mới và nhiều điều mới mẻ từ thực tế, khái quát được các kiến thức chuyên ngành cốt lõi.
Để hoàn thành được đồ án này trước hết em xin chân thành cảm ơn đến thầy : PGS.TS……………. và các thầy cô trong khoa cơ khí Trường Đại học Giao Thông Vận Tải phân hiệu tại TP.HCM đã hướng dẫn chỉ bảo em từ kiến thức cơ sở đến kiến thức chuyên ngành và chỉ bảo giúp đỡ và hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện đồ án này. Do thời gian có hạn, kiến thức và tài liệu tham khảo còn nhiều hạn chế cũng như thiếu nhưng kinh nghiệm thực tiễn cho nên đồ án không tránh khỏi sai sót. Em rất mong các thầy cô và bạn bè góp ý để đồ án tốt nghiệp này được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. TS. Nguyễn Hoàng Việt, “Thiết kế các hệ thống ô tô”. Đại học Bách Khoa Đà Nẵng.
[2]. Trịnh Chất và Lê Văn Uyển, (2006) “Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí – Tập một”. Cty cổ phần in Sách giáo khoa tại Tp. Hà Nội
[3]. PGS.TS.Nguyễn Trọng Hoan,( 2018) “Thiết kế tính toán ô tô”. Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội viện cơ khí động lực, Bộ môn ô tô và xe chuyên dụng
[3]. Nguyễn Hửu Cẩn, Trần Đình Kiên, (1980) “Thiết kế và tính toán ô tô máy kéo tập III”. Hà Nội: NXB Đại học và Trung học chuyên nghiệp
[4]. Phạm Minh Thái (1991).Hướng dẫn làm đồ án môn học “Thiết kế hệ thống lái của ô tô - máy kéo bánh xe”. Trường Đại học Bách Khoa
[5]. FORTUNER - Toyota Training (17/11/2024),
https://toyotatraining.com/FTP/PMG/Fortuner_PMG.pdf
[6]. e-brochure.pdf - Thirty Six Toyota (17/11/2024),
https://www.thirtysixtoyota.in/images/fortuner/e-brochure.pdf
"TẢI VỀ ĐỂ XEM ĐẦY ĐỦ ĐỒ ÁN"