ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Tính toán thiết kế hệ thống lái trên cơ sở xe Toyota Inova đại học GTVT
NỘI DUNG ĐỒ ÁN
MỤC LỤC Tính toán thiết kế hệ thống lái trên cơ sở xe Toyota Inova
LỜI NÓI ĐẦU.. 4
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN.. 5
1.1.Lịch sử phát triển ngành ôtô thế giới5
1.1.1.Lịch sử phát triển trước thế kỉ 21.5
1.1.2. Lịch sử phát triển sau thế kỉ 21 đến nay.8
1.2. Giới thiệu về hệ thống lái10
1.2.1. Giới thiệu chung về hệ thống lái.10
1.2.2. Công dụng:11
1.2.3. Phân loại hệ thống lái trên ô tô :11
1.2.4. Yêu cầu của hệ thống lái trên ô tô. 12
1.2.5. Các bộ phận hợp thành hệ thống lái ô tô. 13
CHƯƠNG II: PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ TRÊN XE TOYOTA INNOVA.. 14
2.1.Giới thiệu xe TOYOTA INNOVA.. 14
2.2.Phân tích lựa chọn phương án thiết kế cơ cấu lái16
2.2.1. Cơ cấu lái trục vít chốt quay. 16
2.2.2. Cơ cấu lái trục vít con lăn. 17
2.2.3. Cơ cấu lái kiểu bánh răng – thanh răng. 19
2.2.4. Cơ cấu lái trục vít cung răng. 20
2.2.5. Cơ cấu lái trục vít – êcu bi – thanh răng – cung răng. 22
2.2.6. Kết luận:24
2.3.Phân tích lựa chọn phương án thiết kế dẫn động lái24
2.3.1. Dẫn động lái với hình thang lái 4 khâu. 24
2.3.2. Dẫn động lái với hình thang lái 6 khâu. 25
2.3.3. Kết luận:25
2.4.Phân tích lựa chọn phương án trợ lực lái25
2.4.1. trợ lực điện. 26
2.4.2. trợ lực lái điện - thủy lực. 26
2.4.3. trợ lực thủy lực. 28
2.4.4. Kết luận:29
2.5.Phương án thiết kế.29
CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG LÁI30
3.1. Tính toán động học hình thang lái.30
3.1.1. Xác dịnh kích thước hình học của hình thang lái và quan hệ động học của góc quay bánh xe dẫn hướng.30
3.1.2. Xác định mômen cản quay vòng và lực lái lớn nhất.36
3.2. Thiết kế cơ cấu lái40
3.2.1. Xác định và phân phối tỷ số truyền của hệ thống lái.40
3.2.2. Thiết kế cơ cấu lái.41
3.2.3. Tính bền cơ cấu trục vít- thanh răng.43
3.3. Thiết kế kết cấu và kiểm tra dẫn động lái.47
3.3.1.Kiểm nghiệm trục lái :47
3.3.2. Tính bền đòn kéo ngang.48
3.3.3. Tính bền thanh nối bên dẫn động lái.50
KẾT LUẬN.. 57
TÀI LIỆU THAM KHẢO.. 58
LỜI NÓI ĐẦU
Trong bối cảnh đất nước trên đà phát triển kinh tế cùng với quá trình công nghiệp hoá hiện đại hoá ngày càng cao. Công nghiệp chế tạo và sản suất ô tô đang dần trở thành một ngành công nghiệp phát triển. Là một phương tiện giao thông có tốc độ cao, một vấn đề lớn đặt ra đó là cần tiếp thu trình độ khoa học kỹ thuật trong chế tạo, sản suất, lắp ráp cũng như công tác bảo dưỡng, sửa chữa ô tô.
Hệ thống lái là một trong những hệ thống quan trọng trên ô tô. ở mọi tốc độ hệ thống lái dùng để thay đổi hướng chuyển động của ô tô hoặc giữ cho ô tô chuyển động theo một hướng nhất định. Một hệ thống hoàn thiện về kết cấu, điều khiển dễ dàng sẽ giúp người lái điều khiển dễ dàng và thoải mãi đảm bảo an toàn của ô tô trong quá trình sử dụng. Đồng thời còn nâng cao tính tiện nghi, hiện đại của ô tô.
Để vận dụng những hiểu biết và những kiến thức tiếp thu trong quá trình học tập. Em được giao nhiệm vụ “ thiết kế hệ thống lái xe Toyota INNOVA ”. Đề tài gồm có 3 phần chính:
Chương 1: TỔNG QUAN.
Chương 2: PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ TRÊN XE TOYOTA INNOVA
Chương 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG LÁI.
Sau khi nhận được đề tài này, được sự hướng dẫn và giúp đỡ nhiệt tình của thầy Nguyễn Văn Hiệpnay em đã hoàn thành đề tài tốt nghiệp của mình. Tuy nhiên do kiến thức và thời gian tìm hiểu còn hạn chế, kính mong được sự giúp đỡ và đóng góp ý kiến của các thầy để đề tài của em được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn.
Sinh viên thực hiện
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN
1.1. Lịch sử phát triển ngành ôtô thế giới
1.1.1. Lịch sử phát triển trước thế kỉ 21.
Từ những chiếc xe đầu tiên chạy bằng hơi nước ở thế kỷ 18, đến nay làng ô tô thế giới đã cho ra đời những chiếc xe động cơ điện sang trọng, hiện đại.
Cho đến nay để nhận định chiếc xe hơi đầu tiên ra đời khi nào vẫn còn nhiều luống ý kiến khác nhau trên thế giới. Nguồn gốc của từ ôtô là automobile (tiếng Anh), có nghĩa là tự động (auto) chuyển động (mobile). Như vậy nếu căn cứ theo định nghĩa, chiếc xe hơi đầu tiên trên thế giới ra đời năm 1770 do Nicolas Joseph Cugnot chế tạo chạy bằng động cơ hơi nước.
Hình 1.1. mô phỏng lại ô tô hơi nước
Tuy nhiên, từ khi xuất hiện động cơ đốt trong do Nicolaus Otto phát minh năm 1876, người ta coi xe hơi ra đời ở thời kỳ này mới là nguồn gốc bởi có hình dáng và động cơ gần với ngày nay nhất. Tiêu biểu đó là những chiếc xe do Karl Benz chế tạo. Karl Benz, kỹ sư người Áo, đã phát minh ra chiếc ô tô “thực sự” đầu tiên vào thế kỷ 19. Nó chạy bằng động cơ đốt trong và có ba bánh. Chiếc xe này đã chứng minh rằng: bất kỳ nỗ lực phát minh ô tô nào trước đây đều sử dụng năng lượng hơi nước đều sẽ không đạt được nhiều hiệu suất như động cơ đốt trong mang lại.
Chiếc xe của Karl Benz sử dụng bộ chế hoà khí, phiên bản cải tiến thứ hai sau Bộ chế hòa khí đầu tiên được phát minh bởi Samuel Morey vào năm 1826.
Hinh 1.2 Kỹ sư Karl Benz và chiếc xe sử dụng động cơ đốt trong đầu tiên trên thế giới
Năm 1908 – Hãng Ford sản xuất dòng xe huyền thoại – Ford Model T:
Ford Model T là chiếc xe đầu tiên trên thế giới được sản xuất theo dây chuyền lắp ráp. Bước nhảy vọt về công nghệ này đã làm cho giá thành của chiếc xe ô tô rẻ hơn bao giờ hết. Động cơ xăng cung cấp 20 mã lực giúp xe có thể đạt tốc độ 72 km/h.
Hình 1.3 Henry Ford (1891 – 1947) bên cạnh chiếc Ford Model T 1908
Tuy nhiên, nó vẫn còn chậm hơn rất nhiều nếu so với những con ngựa “phi nước đại” thời ấy. Nhưng mẫu xe này là một bước tiến vượt bậc, mở ra trang lịch sử vàng son của ngành công nghiệp ô tô.
Đầu năm 1930, những chiếc xe trở nên huyền ảo hơn để giúp thu hút người mua. Cuối cùng nhiều tùy chọn đã được thêm vào như nhiều tùy chọn màu sắc và các loại vật liệu khác nhau. Một chiếc xe oto phổ biến được tạo ra vào năm 1938 bởi Tiến sĩ người Áo-Đức Ferdinand Porsche, người sáng lập Công ty Porsche. Sáng tạo của ông, Volkswagen Beetle được thiết kế nhanh chóng, và trở thành một trong những chiếc xe ô tô phổ biến nhất của thế kỷ 20.
Hình 1.4 Ford Model 18
Những năm 1950 là khi những chiếc xe ô tô không chỉ mục đích để vận chuyển nữa. Ô tô có “mui trần” có thể tháo rời, và vào năm 1957, hệ thống tay lái trợ lực, phanh điện, và điều hòa không khí là những tính năng mới giúp xe thân thiện hơn. Những chiếc xe thập niên 1960 đã cải tiến tốt hơn, và đẹp hơn.
Hinh 1.5 các dòng xe mới
1.1.2. Lịch sử phát triển sau thế kỉ 21 đến nay.
Cùng với sự phát triển không ngừng của công nghệ va thời đại đã giúp ngành công nghiệp ô tô phát triển không ngừng, ô tô nhanh chóng trở thành phương tiện đi lại quan trọng và xuất hiện ở khắp mọi nơi. Nổi bật là có rất nhiều công ty mới và các dòng xe mới liên tục xuất hiện và không ngừng phát triển.
Hình 1.6 xe Mercedes G-Class 2021
Hình 1.7 xe Farnova Othello
Tuy vậy sự phát triển gặp phải vấn đề do khí thải gây ra và tiêu hao nhiên liệu khi sử dụng động cơ đốt trong không thể tái sinh khiến ô tô cần gấp phương hướng phát triển mới. Chính vi vậy xuất hiện sự phát triển của các dòng xe điện và các dòng xe kết hợp giữa điện với động cơ đốt trong (xe Hibrid) và đang dần trở thành xu hướng phát triển của thời đại mới.
Hình 1.6 xe hybrid Toyota Prius - 2000
Hình 1.7 Ô tô điện VinFast VF e342 - 2022
1.2. Giới thiệu về hệ thống lái
1.2.1. Giới thiệu chung về hệ thống lái.
Phương tiện giao thông khi tham gia giao thông phải đảm bảo an toàn chuyển động. Hướng chuyển động của xe phải được kiểm soát bởi người điều khiển, đảm bảo điều khiển nhẹ nhàng nhanh chóng, chính xác theo ý muốn.
Khi chuyển động, có thể đi thẳng, quay vòng, tránh chướng ngại vật, ... đó chính là các tác động điều khiển xe chuyển động theo ý muốn. Hệ thống lái sẽ đảm nhận chức năng này.
1.2.
1.3.
1.2.2. Công dụng:
Hệ thống lái là hệ thống điều khiển hướng chuyển động của xe, đảm bảo giữ nguyên hoặc thay đổi hướng chuyển động của xe ở một vị trí nào đó.
Trên ô tô có các phương pháp thay đổi hướng chuyển động như là: chuyển hướng cả cầu xe( xe romooc ); chuyển hướng nhờ điều khiển tốc độ của bánh xe( máy kéo, xe máy công trình); điều khiển thông qua thay đổi hướng bánh xe. Ngày nay phổ biến là loại điều khiển hướng của các bánh xe dẫn hướng.
Hệ thống lái có chức năng tiếp nhận tác động của người lái diều khiển, thông qua các cơ cấu dẫn động thực hiện điều khiển các bánh xe chuyển động theo quỹ đạo mong muốn. Việc điều khiển này phải đảm bảo tính linh hoạt, nhanh chóng và chính xác.
Hệ thống lái thông dụng bao gồm cơ cấu điều khiển( vành lái, trục lái), cơ cấu lái và các đòn dẫn động tạo khả năng chuyển hướng cho các bánh xe xung quanh trụ đứng.
Trong quá trình chuyển động, hệ thống lái có ý nghĩa quan trọng thông qua việc nâng cao an toàn điều khiển và chất lượng chuyển động do vậy hệ thống lái ngày càng được hoàn thiện nhất là khi xe đạt tốc độ lớn.
1.2.3. Phân loại hệ thống lái trên ô tô :
Có nhiều cách để phân loại hệ thống lái ô tô tuỳ theo từng phương pháp mà có các cách phân loại khác nhau. Có các cách phân loại sau:
- Theo phương pháp chuyển hướng
+ Chuyển hướng bánh xe dẫn hướng phía trước
+ Chuyển hướng tất cả các bánh xe phía trước phía sau.
+ Chuyển hướng cầu xe: Xe Romooc
+ Chuyển hướng thân xe: máy công trình
- Theo cách bố trí vành lái:
+ Bố trí vành lái bên trái ( theo luật đi đường bên phải)
+ Bố trí vành lái bên phải( theo luật đi đường bên trái)
- Theo đặc điểm truyền lực:
+ Hệ thống lái cơ khí
+ Hệ thống lái cơ khí có trợ lực với các kiểu trợ lực ( thủy lực, khí, điện, cơ khí)
- Theo kết cấu của hệ thống đoàn dẫn động lái:
+ Phù hợp với hệ thống treo độc lập.
+ Phù hợp với hệ thống treo phụ thuộc.
- Theo cách biến đổi kiểu truyền động ( phụ thuộc vào kết cấu của cơ cấu lái)
+ Biến chuyển động quay của hệ thống điều khiển thành chuyển động quay của các đoàn: ( trục vít – bánh vít; trục vít – ê cu bi)
+ Biến chuyển động quay của hệ thống điều khiển thành chuyển động tịnh tiến của các đoàn điều khiển ( bánh răng - thanh răng)
1.2.4. Yêu cầu của hệ thống lái trên ô tô
- Hệ thống lái phải đảm bảo những yêu cầu chính sau:
+ Đảm bảo chuyển động thẳng ổn định.
+ Đảm bảo tính cơ động cao: Tức xe có thể quay vòng thật ngoặt trong một khoảng thời gian rất ngắn trên một diện tích thật bé.
+ Đảm bảo động học quay vòng đúng: để các bánh xe không bị trượt lê gây mòn lốp, tiêu hao công suất vô ích và giảm tính ổn định của xe.
+ Điều khiển nhẹ nhàng, thuận tiện .
+ Đảm bảo sự tỷ lệ giữa lực tác dụng lên vô lăng và mô men quay các bánh xe dẫn hướng (để đảm bảo cảm giác đường) cũng như sự tương ứng động học giữa góc quay của vô lăng và của bánh xe dẫn hướng.
1.2.5. Các bộ phận hợp thành hệ thống lái ô tô
Hình 1.10 Sơ đồ tổng quát hệ thống lái.
1. Vành lái 5. Đòn kéo dọc 9. Bánh xe
2. Trục lái 6. Hình thang lái
3. Cơ cấu lái 7. Đòn quay ngang
4. Đòn quay đứng 8. Trụ xoay đứng
xCHƯƠNG II: PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ TRÊN XE TOYOTA INNOVA
2.1. Giới thiệu xe TOYOTA INNOVA
Hình 2.11. Tuyến hình xe INNOVA
INNOVA J là sản phẩm của dòng xe đa dụng hiện đại mang tính toàn cầu. Ở Việt nam, hiện sản phẩm của INNOVA có nhiều loại: innova J, innova G, innova V, innova E sử dụng số tự động hoạc số tay,động cơ 4 xy lanh thẳng hàng, VVT-i, phun xăng điện tử. Dòng xe INNOVA J có 3 màu: trắng, xanh nhạt, đỏ. Với động cơ thế hệ mới 2.0 có trang bị hệ thống phân phối khí thông minh nên hoạt động của innova mạnh mẽ hơn, tiết kiệm nhiên liệu hơn, thân thiện với môi trường đạt tiêu chuẩn khí thải Euro 2. Về thiết kế và hình dáng, innova lịch lãm sang trọng cùng trang thiết bị hiện đại của dòng xe sedan nhưng vẫn giữ lại phong cách thể thao năng động và tính tiện dụng giúp innova trở nên cuốn hút hơn. Xe với không gian linh hoạt rộng rải với 8 chỗ ngồi đáp ứng nhu cầu về một chiếc xe gia đình nhưng không kém phần sang trọng trong công việc.Dòng xe INNOVA được trang bị gần như đầy đủ các tính năng an toàn chủ động và an toàn bị động với công nghệ tiến tiến nhằm bảo vệ toàn diện và tính an toàn tối đa cho người sử dụng, an toàn chủ động bao gồm: hệ thống chống bó cứng phanh ABS, cảm biết lùi, chìa khóa điều khiển từ xa phanh đĩa, an toàn bị động bao gồm: hệ thống túi khí dây đai an toàn, cột lái tự đổ
Bảng 1.1 THÔNG SỐ KĨ THUẬT XE TOYOTA INNOVA J 2022
Hãng sản xuất |
TOYOTA |
Loại động cơ |
2.0(lít) |
Kiểu động cơ |
4 xi lanh thẳng hàng, 16 van, cam kép với VVT_i |
Dung tích xi lanh |
1998cc |
Hộp số |
5 tay số |
Loại nhiên liệu |
xăng |
Dài |
4555mm |
Rộng |
1770mm |
cao |
1745mm |
Chiều dài cơ sở |
2750mm |
Chiều rộng cơ sở trước/sau |
1510/1510mm |
Trọng lượng không tải |
1530kg |
Trọng lượng khi toàn tải |
2170kg |
Dung tích bình nhiên liệu |
55 l |
Số chỗ ngồi |
8 chỗ |
Khoảng cách giữa hai trụ đứng |
1370mm |
2.2. Phân tích lựa chọn phương án thiết kế cơ cấu lái
2.2.1. Cơ cấu lái trục vít chốt quay
Cơ cấu lái loại này gồm hai loại:
+ Cơ cấu lái trục vít và một chốt quay;
+ Cơ cấu lái trục vít và hai chốt quay.
Hình 2.1 Cơ cấu lái trục vít chốt quay
Ưu điểm:
- Cơ cấu lái loại trục vít chốt quay có thể thay đổi tỷ số truyền theo yêu cầu cho trước. Tùy theo điều kiện cho trước khi chế tạo khi chế tạo trục vít ta có thể có loại cơ cấu lái chốt quay với tỷ số truyền không đổi, tăng hoặc giảm khi quay vành lái ra khỏi vị trí trung gian. Để tăng hiệu suất của cơ cấu lái và giảm độ mòn của trục vít và chốt quay thì chốt được đặt trong ổ bi.
Nếu bước của trục vít không đổi thì tỷ số truyền được xác định theo công thức:
Trong đó:
W: Góc quay của đòn quay đứng;
r2: Bán kính đòn quay.
Hiệu suất thuận và hiệu suất nghịch của cơ cấu lái này vào khoảng 0,7. Cơ cấu lái này được dùng trước hết ở hệ thống lái không có cường hoá nó được dùng chủ yếu cho ôtô tải và ôtô khách.
Loại cơ cấu lái trục vít đòn quay với một chốt quay ngày càng ít được sử dụng vì áp suất riêng giữa chốt và trục vít lớn, chốt mòn nhanh, bản thân chốt có độ chịu mài mòn kém.
Để điều chỉnh khe hở giữa chốt và trục vít bằng cách dịch chuyển trục quay đứng theo chiều trục, ngoài ra còn phải điều chỉnh khoảng hở của trục lái.
2.2.2. Cơ cấu lái trục vít con lăn
Loại cơ cấu lái này được sử dụng rộng rãi nhất. Cơ cấu lái gồm trục vít glôbôit 1 ăn khớp với con lăn 2 (có ba tầng ren) đặt trên các ổ bi kim của trục 3 của đòn quay đứng. Số lượng ren của loại cơ cấu lái trục vít con lăn có thể là một, hai hoặc ba tùy theo lực truyền qua cơ cấu lái.
Hình 2.2 Cơ cấu lái trục vít con lăn
Ưu điểm:
- Nhờ trục vít có dạng glô-bô-it cho nên tuy chiều dài trục vít không lớn nhưng sự tiếp xúc các răng ăn khớp được lâu hơn và trên diện rộng hơn, nghĩa là giảm được áp suất riêng và tăng độ chống mài mòn. Tải trọng tác dụng lên chi tiết tiếp xúc được phân tán tùy theo cỡ ôtô mà làm con lăn có hai đến bốn vòng ren;
- Mất mát do ma sát ít hơn nhờ thay được ma sát trượt bằng ma sát lăn;
- Có khả năng điều chỉnh khe hở ăn khớp giữa các bánh răng. Đường trục của con lăn nằm lệch với đường trục của trục vít một đoạn D = 5 ¸ 7(mm), điều này cho phép triệt tiêu sự ăn mòn khi ăn khớp bằng cách điều chỉnh trong quá trình sử dụng.
Tỷ số truyền cơ cấu lái trục vít con lăn xác định tại vị trí trung gian xác định theo công thức:
Trong đó:
r2: Bán kính vòng tròn ban đầu của hình glô-bô-it của trục vít;
t: Bước của trục vít;
z1: Số đường ren của truc vít.
Tỷ số truyền của cơ cấu lái ic sẽ tăng lên từ vị trí giữa đến vị trí rìa khoảng 5 ¸ 7% nhưng sự tăng này không đáng kể coi như tỷ số truyền của loại trục vít con lăn là không thay đổi. Hiệu suất thuận hth = 0,65, hiệu suất nghịch hng = 0,5.
2.2.3. Cơ cấu lái kiểu 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.
Thanh răng có cấu tạo dạng răng nghiêng, phần cắt răng của thanh răng nằm ở phía giữa, phần thanh còn lại có tiết diện tròn. Khi vô lăng quay, bánh răng quay làm thanh răng chuyển động tịnh tiến sang phải hoặc sang trái trên hai bạc trượt. Sự dịch chuyển của thanh răng được truyền tới đòn bên qua các đầu thanh răng, sau đó làm quay bánh xe dẫn hướng quanh trụ xoay đứng.
Cơ cấu lái đặt trên vỏ xe để tạo góc ăn khớp lớn cho bộ truyền răng nghiêng, trục răng
đặt nghiêng ngược chiều với chiều nghiêng của thanh răng, nhờ vậy sự ăn khớp của bộ truyền lớn, do đó làm việc êm và phù hợp với việc bố trí vành lái trên xe.
Ưu điểm:
- 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;
- Sự cản trượt,cản lăn nhỏ và truyền mô men rất tốt nên tay lái nhẹ;
- Có khả năng tự động triệt tiêu khe hở tại chỗ ăn khớp. Tỉ số truyền thuận và nghịch bằng nhau và bằng 0,8 đến 0,9.
Nhược điểm:
- Tỷ số truyền nhỏ;
- Kích thước chiều dài cơ cấu lớn, thanh răng chế tạo từ thép chất lượng cao, kích thước nhỏ, tuy vậy dễ bị cong trong quá trình sử dụng.
Hình 2.3 Cơ cấu lái kiểu bánh răng – thanh răng
2.2.4. Cơ cấu lái trục vít cung răng
Với tiết diện bên của mặt cắt ngang của mối răng trục vít và răng của cung răng là hình thang, trục vít và cung răng tiếp xúc nhau theo đường nên toàn bộ chiều dài của cung răng đều truyền tải trọng. Vì vậy áp suất riêng, ứng suất tiếp xúc, độ mòn của trục vít và cung răng đều giảm. Để đạt độ cứng vững tốt người ta đặt trục đòn quay trong ổ bi kim và tìm cách hạn chế độ võng của cung răng.
Khe hở ăn khớp thay đổi từ 0,03 mm (ở vị trí trung gian), 0,25 ¸ 0,6 mm ở vị trí hai bên rìa. Điều chỉnh khe hở ăn khớp nhờ thay đổi chiều dày của đệm đồng 2. Khắc phục khoảng hở trong các ổ, thanh lăn nhờ giảm bớt các đệm điều chỉnh 1 từ nắp trên của vỏ.
Ưu điểm:
- Cơ cấu lái trục vít cung răng có ưu điểm là giảm được trọng lượng và kích thước so với loại trục vít bánh răng. Do ăn khớp trên toàn bộ chiều dài của cung răng nên áp suất trên răng bé, giảm được ứng suất tiếp xúc và hao mòn.
nhược điểm
- có hiệu suất thấp.
Tỷ số truyền của cơ cấu lái trục vít cung răng được xác định theo công thức:
Trong đó:
r0: Bán kính vòng tròn cơ sở của cung răng;
t: Bước trục vít.
Tỷ số truyền của cơ cấu lái loại này có giá trị không đổi. Hiệu suất thuận khoảng 0,5 còn hiệu suất nghịch khoảng 0,4. Cơ cấu lái loại này có thể dùng trên các loại ôtô khác nhau.
Hình 2.4 Cơ cấu lái trục vít – cung răng
2.2.5. Cơ cấu lái trục vít – êcu bi – thanh răng – cung răng
Gồm một trục vít có hai đầu được đỡ bằng ổ bi đỡ chặn. Trục vít 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.
Khi trục vít quay (phần chủ động), êcu bi chạy dọc trục vít, chuyển động này làm quay răng rẻ quạt. Trục của bánh răng rẻ quạt là trục đòn quay đứng. Khi bánh răng rẻ quạt quay làm cho đòn quay đứng quay, qua các đòn dẫn động làm quay bánh xe dẫn hướng.
Tỷ số truyền của cơ cấu lái này có giá trị không đổi và được xác định theo công thức:
Trong đó:
r0: Bán kính ban đầu của cung răng;
t: Bước của trục vít.
Hiệu suất thuận vào khoảng 0,7 hiệu suất nghịch vào khoảng 0,85. Do hiệu suất nghịch cơ cấu lái loại liên hợp lớn cho nên khi lái trên đường mấp mô sẽ nặng nhọc, nhưng nó có khả năng làm cho ôtô chạy ổn định ở hướng thẳng nếu vì một nguyên nhân nào đó làm bánh xe phải quay vòng.
Ưu điểm:
- Ma sát giữa trục vít và ê cu là ma sát lăn thông qua các viên bi, bởi vậy hiệu suất truyền lực cao, giảm được sự mòn trong cơ cấu lái.
- Cho phép dễ dàng kết hợp với trợ lực lái thủy lực và được dùng phổ biến trên ô tô tải và ô tô buýt.
Nhược điểm:
- Kết cấu tương đối phức tạp dẫn đến giá thành đắt và sửa chữa phức tạp hơn.
Hình 2.5 Cơ cấu lái kiểu trục vít ecubi – thanh răng – cung răng
1. Vỏ cơ cấu lái 6. Phớt
2. Ổ bi dưới 7. Đai ốc điều chỉnh
3. Trục vít 8. Đai ốc hãm
4. Êcu bi 9. Bánh răng rẻ quạt
5. Ổ bi trên 10. Bi
2.2.6. Kết luận:
Chọn cơ cấu lái loại trục vít –thanh răng vì có kết cấu đơn giản và có tỉ số truyền ổn định nên đễ tính toán chế tạo thiết kế.
2.3. Phân tích lựa chọn phương án thiết kế dẫn động lái
2.3.1. Dẫn động lái với hình thang lái 4 khâu
Ưu điểm:
- Kết cấu đơn giản, đáp ứng gần đúng quan hệ lý thuyết.
- Tính toán đơn giản
Nhược điểm:
- Phạm vi sử dụng hạn chế. Được sử dụng trên ô tô có dầm cầu liền với hai phương pháp bố trí đòn ngang là đòn ngang liên kết nằm sau dầm cầu và nằm trước dầm cầu. Dùng với hệ thống treo phụ thuộc.
Hình 2.6 Hình thang lái 4 khâu
2.3.2. Dẫn động lái với hình thang lái 6 khâu
Số lượng đòn và khâu khớp tăng lên nhằm đảm bảo các bánh xe chuyển động độc lập.
Hình 2.7 Hình thang lái 6 khâu
2.3.3. Kết luận:
Đối với xe Toyota Innova sử dụng treo phụ thuộc. Nên ta sử dụng hệ thống dẫn động lái với hình thang lái 4 khâu.
2.4. Phân tích lựa chọn phương án trợ lực lái
2.4.1. trợ lực điện.
Hinh 2.8 trợ lực lái điện
Ưu điểm:
- Tiết kiệm nhiên liệu hơn – động cơ chỉ phát điện khi xe rẽ
- Loại bỏ bảo trì / bổ sung chất lỏng thủy lực theo thời gian
- Kích hoạt bất kỳ tính năng hỗ trợ người lái hoặc tiện lợi nào liên quan đến việc quay bánh xe mà không cần nhập liệu lái
- Được tự động điều chỉnh theo bề mặt đường, không yêu cầu điều chỉnh tay lái liên tục
Nhược điểm:
- Hệ thống với nhiều cảm biến phức tạp, các chương trình điều khiển mô tơ DC, bộ kiểm soát tốc độ. Dẫn đến giá thành cao.
- Hỏng EPS khiến vô-lăng cứng như đá.
2.4.2. trợ lực lái điện - thủy lực
Hệ thống trợ lực lái điện - thủy lực (EHPS - Electro-hydraulic Power Steering) hay còn gọi là hệ thống trợ lực Hybrid, có cấu tạo và nguyên lý hoạt động tương tự hệ thống trợ lực lái thủy lực, chỉ khác là áp suất dầu sẽ được dẫn động bởi mô-tơ điện thay vì năng lượng truyền động trực tiếp từ động cơ.
Hình 2.9 trợ lực lái Hybird
Là sự kết hợp nhằm tận dụng các lợi thế của hai hệ thống lái trợ lực điện và thủy lực.
Ưu điểm
- Khả năng điều chỉnh lực quay vô lăng linh hoạt tùy theo điều kiện vận hành như tốc độ, tải trọng xe. Người dùng cũng có thể cài đặt các thông số khác như góc đánh lái, độ nhạy, tốc độ phản hồi vô lăng...
- Cảm giác lái chân thực giúp tài xế có trải nghiệm lái tốt hơn khi vận hành ở chế độ off-road hay điều kiện địa hình khó.
Nhược điểm
- Bơm trợ lực và mô-tơ điện chỉ truyền động áp suất dầu trong các tình huống nhất định. Do đó có thể tiết kiệm được nhiên liệu đến 20% so với trợ lực dầu.
2.4.3. trợ lực thủy lực
Hinh 2.10 trợ lực lái bằng thủy lực
Hệ thống lái trợ lực thủy lực đã xuất hiện từ rất lâu và được kiểm chứng hiệu quả qua một thời gian dài tồn tại trên thị trường về cơ cấu cơ khí có độ tin cậy cao, tuổi thọ cao và ít bị hư hỏng.
Ưu điểm:
- Có cấu tạo khá đơn giản, tác động nhanh, hiệu suất cao.Với công nghệ chế tạo hiện đại cho phép thiết kế được những bộ trợ lực thủy lực có kết cấu nhỏ gọn. Nên được sử dụng nhiều trên xe con và xe du lịch.
- Có áp suất trong hệ thống thủy lực lớn: p = 4 ÷ 10 (MN/cm2) nên giảm được kích thước và trọng lượng xilanh lực.
- Giảm được va đập trong truyền dẫn thủy lực do mặt đường không bằng phẳng nên người lái đỡ mệt.
Nhược điểm:
- Đòi hỏi kiểm tra và thay dầu trợ lực lái thường xuyên hơn, chú ý đến dấu hiệu rò rỉ dầu trong hệ thống và thay thế miếng đệm, vòng đệm nếu hư hỏng. Hư hỏng thường gặp nhất ở hệ thống này là thiếu dầu trợ lực, nguyên nhân có thể do các nút chặn cao su lão hóa hoặc bình chứa dầu bị thủng dẫn đến rò rỉ.
- Đối với các hệ thống cơ khí hoàn toàn tương tự như lái trợ lực thủy lực, độ chính xác không cao bằng hệ thống điện tử hiện đại.
- Gây lãng phí năng lượng do bơm dầu nhận công suất từ động cơ nên bơm dầu hoạt động ngay cả khi xe đang lái trên đường thẳng và không cần tới trợ lực lái. Bên cạnh đó, việc đánh tay lái sẽ trở nên kho khăn hơn nếu tắt máy và đánh tay lái.
2.4.4. Kết luận:
Lựa chọn thiết kế hệ thống trợ lực bằng thủy lực vì trợ lực thủy lực có cấy tạo đơn giản hiệu suất cao phù hợp để thiết kế cho xe Toyota innova
2.5. Phương án thiết kế.
Chọn hệ thống lái có cơ cấu lái kiểu trục vít– thanh răng, dẫn động lái với hình thang lái 4 khâu, trợ lực lái thủy lực cho xe Toyota Innova J lấy thông số xe theo số liệu năm 2022.
CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG LÁI
3.1. Tính toán động học hình thang lái.
3.1.1. Xác dịnh kích thước hình học của hình thang lái và quan hệ động học của góc quay bánh xe dẫn hướng.
a. Xây dựng quan hệ lý thuyết.
Từ lý thuyết quay vòng, hệ thống lái phải đảm bảo gần đúng mối quan hệ giữa góc quay bánh xe dẫn hướng bên ngoài và bên trong so với tâm quay vòng. Theo giáo trình thiết kế và tính toán ôtô máy kéo mối quan hệ đó được thể hiện ở công thức sau:
(3.1)
suy ra: cotg=
Với B0= 1370 (mm); L= 2750 (mm).
B0 : khoảng cách giữa 2 trụ đứng
L :chiều dài cơ sở của xe
b : Là góc quay của bánh xe dẫn hướng bên ngoài.
a : Là góc quay của bánh xe dẫn hướng bên trong.
Khi xe đi thẳng các đòn bên tạo với phương dọc một góc q. Khi ôtô quay vòng với các bán kính quay vòng khác nhau mà quan hệ giữa a và b vẫn được giữ nguyên như công thức trên thì hình thang lái Đantô không thể thoả mãn hoàn toàn được. Tuy nhiên ta có thể chọn một kết cấu hình thang lái sao cho sai lệch với quan hệ lý thuyết trong giới hạn cho phép tức là độ sai lệch giữa góc quay vòng thực tế và lý thuyết cho phép lớn nhất ở những góc quay lớn không được vượt quá 1,50.
Khi xe quay vòng để đảm bảo cho các bánh xe dẫn hướng không bị trượt lết hoặc trượt quay thì đường vuông góc với các véc tơ vận tốc chuyển động của tất cả các bánh xe phải gặp nhau tại một điểm, điểm đó là tâm quay vòng tức thời của xe (điểm o trên hình 3.2).
Hình 3.3. Sơ đồ để tính hình thang lái
Hình thang lái Đantô là cơ cấu đảm bảo gần đúng quan hệ của công thức trên. Khi cho trước các kích thước ta tìm mối quan hệ giữa :
Từ sơ đồ hình (3.3) ta có:
AB = m = ED’ + D’F + FH
=> D’F = B0 – ED’ – FH = B0 – msin(+) – msin() (1)
Mặt khác:
D’F =
= (2)
Từ (1) và (2) ta được :
(3.2)
Hay
Theo quan hệ này khi biết trước một góc q nào đó thì ứng với mỗi giá trị của góc a ta sẽ có một giá trị của b. Nghĩa là hàm số b = f(q,a) sẽ biểu thị được đường cong đặc tính thực tế của hình thang lái. Vấn đề đặt ra là phải chọn các thông số hình thang lái sao cho hợp lý để sự sai khác giữa đường cong đặc tính của hình thang lái so với đường đặc tính lý thuyết là nhỏ nhất.
Dùng phương pháp đồ thị để kiểm tra sự sai khác của đường đặc tính hình thang lái thực tế so với lý thuyết theo quan hệ b = f(q,a).
Chọn
Chọn sơ bộ góc ban đầu theo công thức của Chuđakop
chọn x = 0,7
Thay số :
Ta tính được ( theo kinh nghiệm thiết kế)
Cho các giá trị xung quanh giá trị sơ bộ (1=190).
Dựa vào công thức (3.2) ta xây dựng các đường đặc tính hình thang lái thực tế ứng với mỗi giá trị của góc a. Đồng thời ta lấy thêm một vài giá trị lân cận với góc q để so sánh. Các giá trị tương ứng được thể hiện trong bảng dưới đây:
Với:
0.00 |
4.79 |
9.20 |
13.30 |
17.20 |
20.73 |
24.15 |
27.44 |
30.62 |
|
0.00 |
5.00 |
10.00 |
15.00 |
20.00 |
25.00 |
30.00 |
35.00 |
40.00 |
|
=20 |
0.00 |
4.88 |
9.38 |
13.53 |
17.37 |
20.91 |
24.01 |
26.92 |
29.33 |
0.00 |
-0.09 |
-0.18 |
-0.23 |
-0.17 |
-0.18 |
0.15 |
0.52 |
1.29 |
|
= 19 |
0.00 |
4.84 |
9.37 |
13.59 |
17.51 |
21.12 |
24.39 |
27.31 |
30.83 |
0.00 |
-0.05 |
-0.17 |
-0.29 |
-0.31 |
-0.39 |
-0.24 |
0.13 |
-0.21 |
|
=18 |
0.00 |
4.84 |
9.40 |
13.67 |
17.63 |
21.33 |
24.68 |
27.69 |
30.32 |
0.00 |
-0.05 |
-0.20 |
-0.37 |
-0.43 |
-0.60 |
-0.53 |
-0.25 |
0.30 |
Bảng 3: Bảng giá trị quan hệ giữa a và b phụ thuộc vào góc q
Dựa vào các số liệu trong bảng trên ta vẽ được đồ thị đặc tính động học hình hang lái lý thuyết và thực tế trên cùng một hệ trục toạ độ.
Hình 3.4: Đồ thị đặc tính động học hình thang lái.
Nhận thấy rằng độ sai lệch giữa góc quay vòng thực tế và góc quay vòng lý thuyết nhỏ nhất là giá trị q = 190
Sau khi chọn xong góc q ta tính n:
(mm)
3.1.2. Xác định mômen cản quay vòng và lực lái lớn nhất.
Lực đặt lên vành lái được xác định cho trường hợp ôtô quay vòng tại chỗ vì lúc này lực cản quay vòng đạt giá trị cực đại. 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.
Hình3.4: Sơ đồ lực tác dụng lên hệ thống lái.
- Mômen cản M1
Mômen cản quay vòng được xác định theo công thức:
(3.3)
Trong đó:
Gbx – trọng lượng tác dụng lên một bánh xe dẫn hướng.
Với G1:Khối lượng phân bố lên trục trước.
Trọng lượng của xe khi có tải trọng là 2170 kg = 21700 (N)
Do ô tô có động cơ đặt phía trước và qua thực tế thì 55% tải trọng đặt lên cầu trước, 45% tải trọng đặt lên cầu sau.
Vậy trọng lượng đặt lên cầu trước là:
G1= 21700.0,55=11935 (N)
a – cánh tay đòn.
Ta có:
(3.4)
ở đây:
Bt – chiều rộng vết trước Bt = 1510 (mm)
B – khoảng cách giữa hai trụ đứng cầu dẫn hướng B= 1370
Suy ra:
f – hệ số cản lăn ta xét trong trường hợp khi ôtô chạy trên đường xấu như đường đất, đá sỏi (f = 0,04).
Vậy:
b. Mômen cản M2 do ma sát giữa bánh xe và mặt đường.
Khi có lực ngang Y tác dụng lên bánh xe thì bề mặt tiếp xúc giữa lốp và đường sẽ bị lệch đi đối với trục bánh xe. Nguyên nhân lệch này là do sự đàn hồi bên của lốp. Điểm đặt của lực Y sẽ nằm cách hình chiếu của trục bánh xe một đoạn x về phía sau. đoạn x được thừa nhận bằng nửa khoảng cách của tâm diện tích tiếp xúc đến rìa ngoài của nó theo công thức sau:
x = 0,14.rbx (3.5)
Trong đó:
+ r – bán kính thiết kế của bánh xe.
(3.6)
B – chiều rộng lốp B = 195 (mm)
d - đường kính vành bánh xe d = 14 (inch).
(mm)
+ rbx – bán kính làm việc trung bình của bánh xe.
rbx= l.r chọn l= 0.96
rbx = 0,96.r = 0,96.372,8 = 357,9 (mm).
Nên:
Hình 3.5: Sơ đồ lực tác dụng lên bánh xe.
Do đó mômen cản do bánh xe trượt lê là: (3.7)
Với j là hệ số bám ngang. Lấy j = 0,85
Vậy:
Để làm ổn định các bánh xe dẫn hướng người ta làm các góc đặt bánh xe. Tất cả các góc này để làm ổn định cho hệ thống lái nhưng chúng làm xuất hiện mômen cản M3. Việc tính toán mômen này tương đối phức tạp nên giá trị mômen cản M3 được kể đến bởi hệ số c.
c = 1,07 ¸ 1,15. Ta chọn c = 1,15.
Mômen cản quay vòng tại 1 bánh xe dẫn hướng là:
M = (3.8)
Như vậy mômen cản quay vòng tại cầu dẫn hướng được tính như sau:
Mc = 2.(M1 + M2).c (3.9)
Mc = 2.( 16,7 + 254,15).1,15 = 622,95 (Nm)
c. Xác định lực cực đại tác dụng lên vành tay lái.
Khi đánh lái trong trường hợp ôtô đứng yên tại chỗ, lực đặt lên vành lái đểthắnglực cản quay vòng tác dụng lên bánh xe dẫn hướng là lực lái lớn nhất. Lực này được xác định theo công thức:
(3.10)
Trong đó:
Mc – Mômen cản quay vòng Mc = 622,95 (Nm).
R –Bán kính vô lăng R = 0,25 (m).
ic – Tỷ số truyền cơ cấu lái ic =20.
hth– Hiệu suất thuận của cơ cấu lái, đối với cơ cấu lái trục răng – thanh răng hiệu suất thuận hth= 0,9
lấy id = 1
Vậy ta có:
3.2. Thiết kế cơ cấu lái
3.2.1. Xác định và phân phối tỷ số truyền của hệ thống lái.
Tỷ số truyền của hệ thống bằng tỷ số giữa góc quay của vành tay lái và góc quay tương ứng của cam quay hay bánh xe dẫn hướng.Tỷ số truyền này một mặt phải đủ lớn để ứng với một một lực nhất định nào đó tác động vào vành tay sẽ làm quay được bánh xe dẫn hướng trong nhưng điều kiện nặng nhọc nhất, đó là khi quay vòng tại chỗ trên mặt đường nhựa khô, xe đầy tải.
Với xe tham khảo là xe du lịch có trợ lực lái nên tỷ số truyền của hệ thống lái il=15-20 vì tỷ số truyền của dẫn động lái ta chọn id =1 nên ta chọn tỷ số truyền của cơ cấu lái cần thiết kế là ic =20. tỷ số truyền của hệ thống lái xác định theo công thức : il= id.ic= 1.20= 20
3.2.2. Thiết kế cơ cấu lái.
Mô men xoắn trên thanh răng băng mô men cản(Mt.răng= Mc = Tt.rang).
Hiệu suất của cơ cấu trục vít-thanh răng là
Mô men xoắn trên trục vít:
Chọn vật liệu: do trong truyền động trục vít có vận tốc trượt lớn và điều kiện dầu bôi trơn không thuận lợi nên cần chọn cặp vật liệu làm trục vít-thanh răng chúng có hệ số ma sát thấp, bền mòn va giảm bớt nguy hiểm về dính. Mặt khác tỷ số truyền lớn nên tần số chịu tải của trục vít lớn nhiều so với thanh răng nên vật liệu làm trục vít phải có cơ tính cao hơn vật liệu làm thanh răng. Với các lí do trên chọn vật liệu như sau:
-vật liệu làm thanh răng: thép 40XH được tôi cải thiện.
-vật liệu làm trục vít: thép 45, tôi bề mặt đến độ rắn HRC> 45.
a. Xác định kích thước và thông số của thanh răng.
Đường kính của thanh răng được cắt tại mặt cắt nguy hiểm nhất:
(3.11)
Trong đó:
:ứng suất xoắn cho phép = (50 – 80) KG/mm2.
=50KG/mm2 =500N/mm2
Mx:Momen xoắn gây nên sự nguy hiểm ở thanh răng chính bằng mô men cản quay vòng của bánh xe: Mx=Mc=622,95(Nm)
Thay các thông số vào công thức(2.12) ta được:
Chọn dtr=25 (mm).
Chiều dài làm việc của thanh răng: L=202(mm).
Mô đun thanh răng chọn trong dãy 1 : m=2,5
Bước răng: t=p.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).
Số răng cần thiết trên thanh răng để khi quay vòng:
Chọn số răng trên thanh răng: Zct= 26(răng).
Khoảng cách giữa 2 răng liên tiếp của thanh răng:
Góc nghiêng của răng (hợp với phương ngang)
Góc nghiêng b thường chọn bằng 8¸20 chọn b= 170
b. Tính toán các thông số cơ bản của bộ truyền trục vít:
Mô đun của trục vít chọn theo tiêu chuẩn: m =2,5
Hệ số đường kính trục chọn theo bảng 7.3[3] “tính toán thiết kế hệ thống dẫn động cơ khí Trịnh Chất – Lê Văn Uyển”. q =8.
Đường kính vòng chia: dt.v=q.m =8.2,5 =20 (mm).
Đường kính vòng đỉnh: da =m.(q+2) =2,5.(8+2) =25 (mm).
Đường kính vòng đáy: df=m.(q-2,4) =2,5.(8-2,4) =14 (mm).
Khoảng cách trục: aw =(dtv+dtr)/2 =(25+20)/2 =22,5 (mm).
3.2.3. Tính bền cơ cấu trục vít- 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 đến độ 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.
a. Ứng suắt tiếp xúc cho phép.
Giới hạn bền mỏi tiếp xúc của bộ truyền trục vít- thanh răng:
Ứng suất tiếp xúc cho phép của bộ truyền trục vít- thanh răng:
(3.12)
Trong đó:
+ SH : là hệ số an toàn; lấy SH =1,1.
+ ZR :Hệ số xét đến ảnh hưởng của độ nhám; ZR =0,95
+ ZV :Hệ số xét ảnh hưởng của vận tốc vòng; ZV =1.
+ KXH :Hệ số xét ảnh hưởng của kích thước trục vít; KXH =1.
+ KHL :Hệ số tuổi thọ ; KHL =1.
Thay các thông số vào công thức (3.12) ta được:
b. Ứng suất uốn cho phép:
Giới hạn bền mỏi của bộ truyền trục vít- thanh:
= 480
Ứng suất uốn của bộ truyền trục vít- thanh răng:
Trong đó:
+ YR=1;KXF =1.
+ SF: Hệ số an toàn; lấy SF =1,75
+ YS =là hệ số kể đến tới ảnh hưởng của mô đun với m =2,5 ta chọn YS =1,03.
+ (N/mm2)
c. Kiểm nghiệm độ bền bộ truyền trục vít- thanh răng.
Kiểm nghiệm thanh răng về độ bền tiếp xúc:
(3.13)
Trong đó:
+ ZM: là hệ số kể đến cơ tính của vật liệu. Vật liệu cơ cấu đều là thép nên chọn ZM =274
+a: Góc profin gốc. Theo TCVN1056-71 thì a =200.
ZH: Hệ số kể đến hình dáng bề mặt tiếp xúc: