Tài liệu Tổng quan về hệ thống lái.

Đồ án tốt nghiệp Mục lục MỤC LỤC Sinh viên: Nguyễn Như Huế 1 Lớp Cơ điện tử K46 Đồ án tốt nghiệp mục hình vẽ Danh DANH MỤC HÌNH VẼ Đồ án tốt nghiệp Lời nói đầu LỜI NÓI ĐẦU Ô tô là một phương tiện giao thông đang dần dần phổ biến ở nước ta. Nó giữ vai trò quan trọng trong mạng lưới giao thông đường bộ. Từ khi ra đời cho đến nay, ngành công nghiệp ô tô đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển cùng với sự phát triển của khoa học kĩ thuật. Với sự tăng trưởng tốc độ và mật độ chuyển động của ô tô ngày nay đòi hỏi ô tô phải đảm bảo tính điều khiển ở mức độ cao. Nhằm đảm bảo tính an toàn khi chuyển động của xe, hạn chế tối đa tai nạn giao thông xảy ra. Hệ thống lái là một trong những hệ thống hết sức quan trong trên ô tô. Nó quyết định tới tính điều khiển và quỹ đạo chuyển động của ô tô. Đề tài “ Nghiên cứu, phân tích và đánh giá động lực học hệ thống lái ô tô” Với mục đích xem xét, đánh giá động lực học ô tô khi quay vòng. Từ đó đưa ra những lời khuyên để đảm bảo quỹ đạo chuyển động và ổn định cho xe khi chuyển hướng. Nội dung đề tài : Chương I: Tổng quan về hệ thống lái Trình bày về nhiệm vụ, phân loại, yêu cầu, cấu tạo, nguyên lý hoạt động chung của một hệ thống lái. Đưa ra một số bộ phận chính và các thông số cơ bản của hệ thống lái. Chương II: Một số hệ thống lái thông dụng Trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động một số hệ thống lái cũng như từng bộ phận của hệ thống lái đó. Hệ thống lái thuần túy cơ khí, hệ thống lái có trợ lực và hệ thống lái trợ lực có điều khiển. Đồ án tốt nghiệp Lời nói đầu Chương III: Đánh giá động lực học quay vòng ô tô Xây dựng phương trình động lực học khi xe quay vòng, xác định các hàm truyền cho các tham số chuyển vị của xe. Kết hợp với việc lập trình trên phần mềm Matlab để đánh giá động lực học quay vòng tĩnh và động của ô tô. Sau quá trình thực hiện, với sự cố gắng nỗ lực của bản thân và sự giúp đỡ chỉ bảo tận tình của thầy giáo Th.S Phạm Thế Minh đồ án đã được hoàn thành. Song do thời gian và trình độ bản thân còn hạn chế nên đồ án không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được ý kiến chỉ bảo của các thầy cô giáo cùng toàn thể các bạn để đồ án được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Th.S Phạm Thế Minh cùng toàn thể thầy cô giáo trong bộ môn Kỹ Thuật Máy đã tạo điều kiện giúp đỡ em hoàn thành đồ án này. Hà nội, Tháng 5 năm 2010 Sinh viên thực hiện Nguyễn Như Huế Đồ án tốt nghiệp Lời nói đầu Chương I: Tổng quan về hệ thống lái CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LÁI. 1.1. Nhiệm vụ yêu cầu và phân loại 1.1.1. Nhiệm vụ Hệ thống lái dùng để giữ đúng hướng chuyển động hoặc thay đổi hướng chuyển động của ô tô khi cần thiết. Có thể thay đổi hướng chuyển động bằng cách: + Thay đổi phương chuyển động của bánh xe dẫn hướng (hình1-1(a)) + Thay đổi mô men xoắn ở bánh sau chủ động (hình1-1(b)) + Kết hợp đồng thời cả hai phương pháp trên. Phương pháp quay các bánh xe dẫn hướng để quay vòng xe cơ giới được sử dụng phổ biến nhất hiện nay. Phương pháp thay đổi hướng momen ở các bánh xe chủ động thường áp dụng cho các loại xe cơ giới bánh xích. Đối với xe bánh xích, có thể kết hợp việc truyền momen khác nhau đến các bánh chủ động ở hai bên của xe với việc hãm các bánh xe phía gần tâm quay vòng để quay vòng trên diện tích rất nhỏ, thậm chí có thể quay vòng xe tại chỗ. Theo quan điểm về an toàn chuyển động thì hệ thống lái là hệ thống quan trọng nhất. Chương I: Tổng quan về hệ thống lái Hình 1 - : Các phương pháp quay vòng xe cơ giới 1.1.2. Yêu cầu của hệ thống lái Hệ thống lái phải đảm bảo các yêu cầu sau: + Đảm bảo cho xe quay vòng ngoặt, trong thời gian ngắn, trên diện tích bé. + Đảm bảo động học quay vòng đúng cho các bánh xe dẫn hướng tránh trượt lê gây mòn lốp. + Các bánh xe dẫn hướng khi ra khỏi đường vòng cần phải tự động quay về trạng thái chuyển động thẳng, hoặc là để quay bánh xe về trạng thái chuyển động thẳng thì cần đặt lực lên vành tay lái nhỏ hơn khi xe đi vào đường vòng. + Hệ thống lái phải có khả năng ngăn được các va đập của các bánh xe dẫn hướng lên các vành tay lái + Hệ thống lái không được có độ dơ lớn. Với xe có tốc độ lớn hơn 100Km/h độ dơ vành tay lái cho phép không vượt quá 18 độ. Với xe có tốc độ lớn nhất nằm trong khoảng (25 – 100)Km/h độ dơ vành tay lái cho phép không vượt quá 27 độ. + Giữ cho xe chuyển động thẳng ổn định Chương I: Tổng quan về hệ thống lái + Đặt cơ cấu lái lên phần được treo của ô tô (để kết cấu của hệ thống treo không ảnh hưởng đến cơ cấu lái), cấu tạo đơn giản điều khiển nhẹ nhàng và thuận lợi. + Với hệ thống lái có trợ lực: Khi hệ thống trợ lực có sự cố hư hỏng vẫn có thể điều khiển được xe. Đảm bảo an toàn bị động của xe, không gây nên tổn thương cho người sử dụng khi bị đâm chính diện. 1.1.3. Phân loại hệ thống lái a) Phân loại theo cách bố trí cơ cấu lái + Loại cơ cấu lái đặt bên trái (dùng cho các nước có luật giao thông qui định chiều chuyển động là bên phải, đại đa số các nước có luật giao thông đi bên phải). + Loại cơ cấu lái đặt bên phải (dùng cho các nước có luật giao thông qui định chiều chuyển động là bên trái). b) Phân loại theo kết cấu của cơ cấu lái + Loại trục vít- bánh vít (với cung răng con lăn và trục vít). + Loại trục vít đòn lắc. + Loại liên hợp (trục vít - ê cu - cung răng). + Loại bánh răng - thanh răng c) Theo số bánh dẫn hướng + Hệ thống lái với các bánh xe dẫn hướng ở cầu trước. + Hệ thống lái với các bánh xe dẫn hướng ở cầu sau. + Hệ thống lái với các bánh xe dẫn hướng ở tất cả các cầu. Chương I: Tổng quan về hệ thống lái d) Theo nguyên lý làm việc của bộ phận trợ lực lái. + Loại trợ lực lái thủy lực. + loại trợ lực lái loại khí (khí nén hoặc chân không). + Loại trợ lực lái cơ khí. + Loại trợ lực lái dùng điện. Ngoài ra hệ thống lái còn được phân ra: Hệ thống lái có trợ lực và hệ thống lái không trợ lực. Trong hệ thống lái có trợ lực lại được phân ra hệ thống lái trợ lực không có điều khiển và hệ thống lái trợ lực có điều khiển điện tử. 1.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động chung của hệ thống lái 1.2.1. Cấu tạo Hình 1 - : Sơ đồ cấu tạo chung của hệ thống lái Chương I: Tổng quan về hệ thống lái 1.Vành tay lái (vô lăng) 6.Trụ đứng(chốt chuyển hướng) 2.Trục lái 3.Ống bọc trục lái 7.Đòn quay (cam quay) 8.Thanh bên của hình thang lái 4.Cơ cấu lái 5.Tay biên 9.Khớp cầu nối 10.Đòn ngang (thanh ngang) 11.Đòn kéo dọc 1.2.2. Nguyên lý hoạt động Vành tay lái có dạng hình tròn, lực của người lái tác dụng lên vành tay lái tạo ra mô men quay để hệ thống lái làm việc. Trục lái thường là một đòn dài (rỗng hoặc đặc) để truyền mô men quay từ vành tay lái tới cơ cấu lái. Cơ cấu lái có nhiệm vụ biến chuyển động quay tròn của vành tay lái thành chuyển động lắc của tay biên trong mặt phẳng thẳng đứng và đảm bảo tỉ số truyền theo yêu cầu cần thiết. Cơ cấu lái được bắt chặt lên xà dọc (phần được treo của ô tô). Dẫn động lái (gồm:11,7,8,9,10) có nhiệm vụ truyền chuyển động từ cơ cấu lái xuống bánh xe dẫn hướng đảm bảo tỷ số truyền nhất định và chủ yếu giữ được động học quay vòng đúng của ô tô. Khi người lái quay vô lăng (1) để điều khiển xe, qua cơ cấu lái (4) làm cho tay biên (5) quay một góc thông qua đòn kéo dọc (11) và đòn quay cam (7) làm bánh xe dẫn hướng bên trái dịch chuyển qua các đòn (8,10) của hình thang lái làm cho Chương I: Tổng quan về hệ thống lái bánh xe dẫn hướng bên kia cũng dịch chuyển quanh trụ đứng, lệch phương chuyển động theo ý muốn của người lái. 1.3. Các bộ phận chính của hệ thống lái 1.3.1. Trục lái Hình 1 - : Cấu tạo chung của trục lái Trục lái bao gồm trục lái chính truyền chuyển động quay của vô lăng tới cơ cấu lái và ống đỡ trục lái để cố định trục lái chính vào thân xe. Đầu phía trên của trục lái chính được làm thon và xẻ hình răng cưa. Vô lăng được xiết vào trục lái bằng một đai ốc. Trong trục lái có một cơ cấu hấp thụ va đập. Cơ cấu này sẽ hấp thụ lực đẩy tác dụng lên người lái khi xe bị tai nạn. Trục lái được gá với thân xe qua một giá đỡ kiểu dễ vỡ do vậy khi xe bị đâm trục lái có thể dễ dàng bị phá sập. Đầu dưới của trục lái chính nối với cơ cấu lái bằng khớp mềm hoặc khớp các đăng để giảm thiểu việc truyền chấn động từ mặt đường qua cơ cấu lái lên vô lăng. Cùng với cơ cấu hấp thụ va đập, trục lái chính trên một số xe còn có thể có một số kết cấu dùng để khống chế và điều chỉnh hệ thống lái: ví dụ cơ cấu khóa tay lái nghiêng, cơ cấu trượt tay lái. Chương I: Tổng quan về hệ thống lái 1.3.2. Cơ cấu lái 1.3.2.1. Chức năng Cơ cấu lái hay còn gọi là hộp số lái có chức năng : + Biến chuyển động quay của trục lái thành chuyển động ngang của dẫn động lái. + Tăng lực tác động của người lái lên vành tay lái để thực hiện quay vòng xe nhẹ nhàng hơn. Cơ cấu lái hoạt động tương tự như một hộp số với hai bộ phận cơ bản được gọi quy ước là trục quay của cơ cấu lái và trục lắc của cơ cấu lái. Trục quay là đầu vào của cơ cấu lái, nó trực tiếp liên kết với đầu dưới của trục lái và thực hiện chuyển động quay theo chuyển động của trục lái. Trục lắc là đầu ra của hộp số lái nó liên kết với đòn lắc chuyển hướng của dẫn động lái. 1.3.2.2. Một số cơ cấu lái thường dùng Căn cứ vào đặc điểm cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cặp truyền động trục quay – trục lắc có thể phân biệt các kiểu cơ cấu lái sau: Cơ cấu lái trục vít - cung răng: Chương I: Tổng quan về hệ thống lái Hình 1 - : Hộp số lái kiểu trục vít - cung răng 1-Trục vít , 2-Cung răng, 3- Trục lắc Loại cơ cấu lái trục vít cung răng có ưu điểm là: Giảm trọng lượng và kích thước so với trục vít - bánh răng. Cơ cấu lái kiểu trục vít – con lăn: Trục quay (liên kết với trục lái) của hộp số lái kiểu trục vít - con lăn có cấu tạo giống một trục vít vô tận. Trên trục lắc của hộp số lái có một bộ phận gọi là con lăn. Con lăn giống một bánh xe có ren phía ngoài. Các ren của con lăn ăn khớp với các ren của trục vít. Khi trục vít quay, con lăn sẽ quay quanh trục của nó đồng thời chuyển động dịch chuyển dọc theo trục của trục vít. Kết quả của các chuyển động đó là chuyển động xoay của trục lắc. Chương I: Tổng quan về hệ thống lái Hình 1 - : Hộp số lái kiểu trục vít - con lăn 1-Trục vít, 2- Con lăn, 3- Đòn chuyển hướng của dẫn động lái Hộp số lái kiểu trục vít - con lăn được sử dụng khá phổ biến hiện nay. Ưu điểm của hộp số lái kiểu này là có kết cấu gọn, trục vít và con lăn có độ bền cao do ma sát giữa chúng là ma sát lăn và ứng suất nhỏ nhờ có nhiều ren của con lăn và trục vít tiếp xúc với nhau, hiệu suất cao, dễ điều chỉnh khe hở giữa các bộ phận liên kết trong hộp số lái. Cơ cấu lái kiểu trục vít – đòn lắc: Hộp số lái kiểu trục vít - đòn lắc có trục quay của nó hoạt động tương tự như một trục vít nhưng có mặt cắt ngang giống một trục cam do các rãnh có độ sâu thay đổi theo chu vi, bởi vậy hộp số lái kiểu này còn gọi là kiểu cam đòn lắc. Trên trục lắc của hộp số lái có gắn chi tiết gọi là đòn lắc, trên đòn lắc có các chốt. Trục quay và trục lắc liên kết với nhau thông qua các chốt. Khi trục vít quay theo trục lái, các chốt sẽ trượt lên, Chương I: Tổng quan về hệ thống lái xuống trong rãnh của trục vít và làm cho đòn lắc xoay trái, phải. Hình 1 - : Hộp số lái kiểu trục vít – đòn lắc 1- Trục vít, 2- Đòn lắc, 3- Chốt 4- Trục lắc, 5- Đòn lắc chuyển hướng Cơ cấu lái kiểu trục vít - đòn quay cho phép dễ dàng thay đổi tỷ số truyền theo yêu cầu, nhưng có hiệu suất thấp và các chốt của kiểu hộp số lái này thường mòn nhanh. Kiểu hộp số lái này ngày càng ít được sử dụng trên các loại ôtô đời mới. Cơ cấu lái kiểu trục vít - ê cu – bi - cung răng: Hình 1 - : Hộp số lái kiểu trục vít - êcu - bi - cung răng Chương I: Tổng quan về hệ thống lái 1- Trục vít, 2- Ecu, 3- Cung răng, 4- Trục lắc 5- Bi, 6- Đòn lắc chuyển hướng Hộp số lái kiểu trục vít - ecu - bi - cung răng có trục quay là một trục vít, còn trục lắc tương tự như trục lắc của hộp số lái kiểu trục vít- cung răng, nhưng cung răng không ăn khớp với trục vít mà nhận chuyển động từ trục vít thông qua ecu và các viên bi. Ecu có các răng thẳng phía ngoài và các rãnh phía trong tương ứng với các rãnh trên trục vít. Các viên bi nằm trong rãnh giữa ecu và trục vít và trong ống dẫn bao quanh ecu. Khi trục vít quay các viên bi trong rãnh giữa trục vít và ecu sẽ đẩy nhau và luân chuyển trong ống dẫn để quay trở lại rãnh, đồng thời làm cho ecu dịch chuyển dọc theo trục vít. Thông qua các răng của ecu và cung răng, chuyển động tĩnh tiến của ecu được biến đổi thành chuyển động xoay của trục lắc. Như trên hình vẽ đã thể hiện, chiếc êcu ăn khớp với trục vít nhờ các viên bi tròn. Các bi này có hai tác dụng: một là nó giảm ma sát giữa các chi tiết nên hiệu suất cao. Thứ hai, nó làm giảm độ dơ của cơ cấu. Độ dơ xuất hiện khi đổi chiều tay lái, nếu không có các viên bi, các răng sẽ rời nhau ra trong chốc lát gây nên độ dơ của tay lái. Kiểu bánh răng - thanh răng: Chương I: Tổng quan về hệ thống lái Hình 1 - : Hộp số lái bánh răng - thanh răng Hộp số lái kiểu bánh răng - thanh răng có trục quay (đầu vào) được chế tạo giống một bánh răng trên đoạn trục liên kết trục lắc (đầu ra). Trục lắc là một thanh răng thẳng. Hai đầu của thanh răng liên kết với hai thanh nối bên của dẫn động lái thông qua các khớp cầu. Các răng trên bánh răng và thanh răng liên kết với nhau. Khi bánh răng quay, thanh răng sẽ chuyển động tịnh tiến trên mặt phẳng ngang sang trái hoặc phải tuỳ theo chiều quay của vành tay lái. Trong dẫn động lái với hộp số lái kiểu bánh răng - thanh răng không có đòn lắc chuyển hướng mà thanh răng trực tiếp truyền chuyển động ngang cho các thanh nối. 1.3.3. Dẫn động lái Dẫn động lái gồm hệ thống các đòn, các thanh liên kết với nhau để truyền lực từ cơ cấu lái đến các bánh xe điều khiển, đồng thời đảm bảo cho các bánh xe của ô tô quay vòng với động học đúng. Bộ phận quan trọng của dẫn động lái là hình thang lái, có nhiệm vụ đảm bảo động học các bánh xe dẫn Chương I: Tổng quan về hệ thống lái hướng của ô tô làm cho lốp xe không bị trượt, lê khi lái, giảm mòn lốp. Kết cấu của hình thang lái phải phù hợp với bộ phận dẫn hướng của hệ thống treo để khi bánh xe dao động thẳng đứng thì không ảnh hưởng đến động học của dẫn động lái. Cấu tạo hình thang lái điển hình (Hình 1-9) + Đòn lắc chuyển hướng là chi tiết liên kết với trục lắc của hộp số lái và truyền chuyển động của trục lắc đến phần còn lại của dẫn động lái. Thông thường một đầu của đòn lắc chuyển hướng liên kết với trục lắc của hộp số lái bằng then hoa, đầu còn lại liên kết với một đầu của thanh nối giữa bằng khớp cầu. Hình 1 - : Cấu tạo hình thang lái điển hình Chương I: Tổng quan về hệ thống lái 1,4 -Đòn lắc chuyển hướng, 2-Thanh nối giữa, 3-Thanh nối bên, 5- Đòn lắc phụ, 6- Khớp cầu, 7- Vú mỡ, 8- Vòng đệm + Đòn lắc phụ cũng có một đầu liên kết với một đầu của thanh nối giữa bằng khớp nối cầu, đầu còn lại được lắp trên khung ôtô thông qua trục. Đòn lắc phụ cũng thực hiện chuyển động lắc hoàn toàn giống chuyển động của đòn lắc chuyển hướng nhưng không truyền chuyển động đó cho bất cứ bộ phận nào. Nó có chức năng đỡ thanh nối giữa ở độ cao như tại đòn lắc chuyển hướng để đảm bảo động học của hệ thống lái. + Thanh nối giữa có chức năng liên kết tất cả các bộ phận khác của dẫn động lái với nhau. Hai đầu của thanh nối giữa là hai ổ đỡ chốt cầu để liên kết với đòn lắc chuyển hướng và đòn lắc phụ. Phía giữa thanh nối giữa có hai lỗ để liên kết với hai thanh nối bên bằng các khớp cầu. + Thanh nối bên là bộ phận trực tiếp truyền chuyển động cho đòn chuyển hướng trên ngỗng quay của bánh xe dẫn hướng. Thông thường mỗi cơ cấu dẫn động lái có hai thanh nối bên, mỗi thanh nối bên được cấu thành từ ba đoạn được gọi là đầu trong, đầu ngoài, và đoạn điều chỉnh. Đầu ngoài liên kết với đòn chuyển hướng. Đầu trong liên kết với thanh nối giữa, thanh răng hoặc một bộ phận khác của ôtô tuỳ thuộc vào kiểu dẫn động lái. Đoạn điều chỉnh dùng để thay đổi chiều dài toàn bộ của thanh nối bên để điều chỉnh hình học lái trong quá trình kiểm tra, bảo trì gầm ôtô mà không cần phải tháo rời dẫn động lái. Chương I: Tổng quan về hệ thống lái a) b) Hình 1 - : Kết cấu của thanh nối bên 1- Đầu ngoài của thanh nối bên, 2- Kẹp đàn hồi, 3- Đầu trong của thanh nối bên, 4- Ống điều chỉnh, 5-Bulông điều chỉnh a) Kiểu ống, b) Kiểu bulông Với hình (H1-10a), ống điều chỉnh có ren, các đầu của đầu trong và đầu ngoài của thanh nối bên cũng có ren, trong đó có một đầu ren trái, còn đầu kia có ren phải. Khi cả hai đầu đã được vặn vào ống điều chỉnh, nếu xoay ống điều chỉnh sẽ làm cho chiều dài toàn bộ của thanh nối bên tăng lên hoặc giảm đi tuỳ theo chiều xoay của ốc điều chỉnh. Các kẹp đàn hồi có tác dụng ngăn không cho ống điều chỉnh tự xoay trong quá trình ôtô vận hành. Với hình (H1-10b) bulông điều chỉnh có ren, các đầu trong và đấu ngoài của thanh nối bên cũng có ren, trong đó có một ren trái và một đầu có ren phải. Xoay bulông điều chỉnh sẽ làm thay đổi chiều dài toàn bộ thanh nối bên.