Đồ án thiết kế hệ thống lái xe 7 chỗ

Trờng đại học bách khoa hà nội
VIệN CƠ KHí Động lực
Bộ môn ÔTÔ và xe chuyên dụng
NHIệM Vụ THIếT Kế TốT NGHIệP

Họ và tên : Nguyễn Tiến Dũng
Khoá : K50
I. Nhiệm vụ đề tài:
Thiết kế hệ thống lái cho xe du lịch 7 chỗ ngồi.
II. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:
1. Khảo sát chung về hệ thống lái trên ôtô.
2. Thiết kế hệ thống lái dựa trên số liệu của xe yêu cầu.
3. Xây dựng đặc tính cờng hoá cho hệ thống lái.
4. Xây dựng quy trình công nghệ gia công một chi tiết trong hệ thống lái
5. Tìm hiểu các vấn đề về bảo dỡng và sửa chữa hệ thống lái.
III. Các bản vẽ và đồ thị:
1.
Bản vẽ bố trí chung cơ cấu lái 1A
0

2.
Bản vẽ lựa chọn các phơng án thiết kế 1A
0
3.
Bản vẽ quan hệ động học quay vòng và đặc tính cờng hoá 1A
0
4.
Bản vẽ cơ cấu lái + xy lanh lực +van phân phối. 1A
0
5.
Bản vẽ sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống lái 1A

0
6.
Bản vẽ chi tiết của hệ thống lái (4 chi tiết) 1A
0

7.
Bản vẽ quy trình công nghệ gia công một chi tiết 1A
0
Giáo viên hớng dẫn : Trần Thanh Tùng
Ngày 03 tháng 6 năm 2010
Ngời hớng dẫn
Mục lục
Lời nói đầu 05
Chơng I: Tổng quan về hệ thống lái
I. Tổng quan hệ thống lái ôtô 06
1. Tổng quan 06
2. Các trạng thái quay vòng 06
3. Phân loại hệ thống lái 07
1
4. Yêu cầu của hệ thống lái 08
II. Các bộ phận hợp thành hệ thống lái ôtô 09
1. Vành lái 09
2. Trục lái 10
3. Cơ cấu lái 10
3.1 Các yêu cầu của cơ cấu lái 10
3.2 Tỷ số truyền của cơ cấu lái 11
3.3 Tỷ số truyền của dẫn động lái i
d
12
3.4 Tỷ số truyền của hệ thống lái i

l
12
3.5 Hiệu suất thuận 12
3.6 Hiệu suất nghịch 12
3.7 Một số loại cơ cấu thờng dùng 13
4. Dẫn động lái 15
5. Các góc đặt bánh xe 17
5.1 Góc nghiêng ngang của bánh xe Camber 18
5.2 Góc nghiêng dọc trụ đứng Caster 18
5.3 Góc nghiêng ngang trụ đứng Kingpin 19
5.4 Độ chụm và độ mở 20
6. Hệ thống lái có trợ lực. 21
6.1 Công dụng của trợ lực lái 21
6.2 Phân loại 21
6.3 Nguyên lý trợ lực lái 22
Chơng II: Tính toán hệ thống lái
I. Các thông số của xe thiết kế 24
II. Chọn phơng án thiết kế 25
III. Tính toán động học hình thang lái 25
3.1 Xác định kích thớc hình học của hình thang lái và quan hệ
của góc quay bánh xe dẫn hớng 25
3.2 Xác định momen cản quay vòng và lực lái lớn nhất 29
IV. TT-TK cơ cấu lái Trục vít-Êcu bi-thanh răng cung răng 35
4.1 Thông số hình học 35
4.2 Thiết kế bộ truyền trục vít ecubi 35
4.3 Thiết kế bộ truyền thanh răng cung răng 40
V. Tính bền các chi tiết còn lại của hệ thống lái 45
2
5.1 Tính bền trục lái 45
5.2 Tính bền đòn quay đứng 46

5.3 Tính bền đòn kéo dọc 48
5.4 Tính bền đòn kéo ngang 49
5.5 Tính bền đòn bên 51
5.6 Tính bền khớp cầu 52
Chơng III: Thiết kế hệ thống cờng hoá lái
I. Đặc điểm của cờng hoá lái 55
1.1 Các yêu cầu của cờng hóa lái 55
1.2 Chọn loại trợ lực 55
II. Lựa chọn phơng án bố trí cờng hoá lái 56
2.1 Một số phơng án bố trí cờng hóa hệ thống lái 56
III. Tính toán cờng hoá lái 63
3.1 Lực lái lớn nhất đặt lên vành lái 63
3.2 Xây dựng đặc tính cờng hóa lái 64
3.3 Tính toán xilanh lực 66
3.4 Tính sơ bộ hành trình làm việc của Piston 68
3.5 Xác định lu lợng của bơm dầu 69
3.6 Tính toán các chi tiết của van phân phối 70
Chơng IV: Quy trình công nghệ gia công khớp cầu 73
Bảo dỡng sửa chữa hệ thống lái 82
Kết luận 86
Tài liệu tham khảo 87
3
Lời nói đầu
Trong nền kinh tế đang tăng trởng mạnh mẽ của nớc ta, nhu cầu về giao thông vận
tải ngày càng lớn. Vai trò quan trọng của ôtô ngày càng đợc khẳng định vì ôtô có khả
năng cơ động cao, vận chuyển đợc ngời và hàng hoá trên nhiều loại địa hình khác
nhau.
Những năm gần đây, lợng xe du lịch có xu hớng tăng lên, đặc biệt là các loại xe 7
chỗ với u điểm về khả năng cơ động, tính kinh tế và thích hợp với nhiều mục đích sử
dụng khác nhau.

Với ôtô nói chung và xe du lịch nói riêng, an toàn chuyển động là chỉ tiêu hàng
đầu trong việc đánh giá chất lợng thiết kế và sử dụng của phơng tiện. Một trong các hệ
thống quyết định đến tính an toàn và ổn định chuyển động là hệ thống lái đặc biệt là ở
tốc độ cao. Với đồ án tốt nghiệp của mình, em đã cơ bản hoàn thành việc thiết kế hệ
thống lái cho xe du lịch 7 chỗ.
Sau hơn ba tháng, đợc sự hớng dẫn tận tình của thầy Trần Thanh Tùng và sự giúp
đỡ của các bạn cùng lớp, em đã cơ bản hoàn thành đồ án tốt nghiệp. Trong quá trình
thực hiện, chắc chắn em không tránh khỏi những thiếu sót. Do đó, em rất mong nhận
đợc sự chỉ bảo và góp ý của các thầy và các bạn.
Em xin chân thành cảm ơn.
Hà Nội ngày tháng năm 2010
Sinh viên
Nguyễn Tiến Dũng
4
Chơng I
Tổng quan Hệ thống lái
I. Mô tả chung hệ thống lái.
1. Tổng quan.
Hệ thống lái của ôtô dùng để thay đổi hớng chuyển động của ôtô nhờ quay vòng
các bánh xe dẫn hớng cũng nh để giữ phơng chuyển động thẳng hay chuyển động
cong của ôtô khi cần thiết .
Việc điều khiển hớng chuyển động của xe đợc thực hiện nh sau: vành lái tiếp
nhận lực tác động của ngời lái và truyền vào hệ thống lái, trục lái truyền mômen từ vô
lăng tới cơ cấu lái, cơ cấu lái tăng mômen truyền từ vành lái tới các thanh dẫn động lái,
các thanh dẫn động lái truyền chuyển động từ cơ cấu lái đến các bánh xe dẫn hớng.
Kết cấu lái phụ thuộc vào cơ cấu chung của xe và của từng chủng loại xe.
Để quay vòng đợc thì ngời lái cần phải tác dụng vào vô lăng một lực. Đồng thời
cần có một phản lực sinh ra từ mặt đờng lên mặt vuông góc với bánh xe. Để quay vòng
đúng thì các bánh xe dẫn hớng phải quay quanh một tâm quay tức thời khi quay vòng.
2. Các trạng thái quay vòng của xe.

Sự chuyển động và thay đổi hớng chuyển động của xe trên đờng là quá trình phức
tạp. Khi xe chuyển động trên đờng vòng với tốc độ thấp thì ứng với mỗi vị trí góc
quay của vành tay lái nhất định
vl
xe sẽ quay vòng với một bán kính quay vòng R
0
t-
ơng ứng. Đây có thể coi là trạng thái quay vòng tĩnh (quay vòng đủ).
Trong thực tế xe thờng chuyển động ở tốc độ lớn, do vậy quá trình quay vòng là
động, trạng thái quay vòng đủ ít xảy ra mà thờng gặp là trạng thái quay vòng thiếu và
quay vòng thừa xảy ra trên cơ sở của việc thay đổi tốc độ chuyển động, sự đàn hồi của
lốp và hệ thống treo.
Khi quay vòng thiếu, để thực hiện quay vòng xe theo bán kính R
0
ngời lái phải
tăng góc quay vành lái một lợng
vl
. Khi quay vòng thừa, để thực hiện quay vòng xe
theo bán kính R
0
ngời lái phải giảm góc quay vành lái một lợng
vl
.
Quay vòng thừa và quay vòng thiếu là những trạng thái quay vòng nguy hiểm, làm
mất tính ổn định và tính điều khiển của xe vì chúng gia tăng lực ly tâm (vận tốc quay
vòng của xe tăng kéo theo lực ly tâm khi quay vòng tăng). ở những trạng thái này yêu
cầu ngời lái phải có kinh nghiệm xử lý tốt. Vấn đề chất tải, độ đàn hồi của lốp cũng có
ảnh hởng tới tính năng quay vòng và tính an toàn chuyển động của xe, đặc biệt là
những xe có vận tốc lớn .
5

Rqv
O
O1
Trạng thái quay vòng
thiêu: Rqv>Ro
Ro

O1
O
Ro
Rqv
Trạng thái quay vòng
thừa: Rqv<Ro
Hình 1.1-Các trạng thái quay vòng của xe.
3. Phân loại hệ thống lái.
Có nhiều cách để phân loại hệ thống lái ôtô:
3.1. Phân loại theo phơng pháp chuyển hớng.
+Chuyển hớng hai bánh xe ở cầu trớc (2WS).
+Chuyển hớng tất cả các bánh xe (4WS).
3.2. Phân loại hệ thống lái theo đặc tính truyền lực.
+Hệ thống lái cơ khí.
+Hệ thống lái cơ khí có trợ lực bằng thuỷ lực hoặc bằng khí nén.
3.3. Phân loại theo kết cấu của cơ cấu lái.
+Cơ cáu lái kiểu trục vít glôbôit - con lăn.
+ Cơ cấu lái kiểu trục vít - răng rẻ quạt và trục vít - êcu bi
+ Cơ cấu lái kiểu bánh răng - thanh răng.
3.4. Phân loại theo cách bố trí vành lái.
+ Bố trí vành lái bên trái (theo luât đi đờng bên phải).
+ Bố trí vành lái bên phải (theo luật đi đờng bên trái).
4. Yêu cầu của hệ thống lái ôtô.

Một trong các hệ thống quyết định đến tính an toàn và ổn định chuyển động
của ôtô là hệ thống lái. Theo đó hệ thống lái cần đảm bảo các yêu cầu sau:
6
Đảm bảo tính năng vận hành cao của ôtô có nghĩa là khả năng quay vòng
nhanh và ngặt trong một thời gian rất ngắn trên một diện tích rất bé.
Lực tác động lên vành lái nhẹ, vành lái nằm ở vị trí tiện lợi đối với ngời lái.
Đảm bảo đợc động học quay vòng đúng để các bánh xe không bị trợt lết khi
quay vòng.
Hệ thống trợ lực phải có tính chất tuỳ động đảm bảo phối hợp chặt chẽ giữa sự
tác động của hệ thống lái và sự quay vòng của bánh xe dẫn hớng.
Tránh va đập truyền ngợc từ bánh xe lên vành lái
Cơ cấu lái phải đợc đặt ở phần đợc treo để kết cấu hệ thống treo trớc không ảnh
hởng đến động học cơ cấu lái.
Giữ chuyển động thẳng ổn định.
Hệ thống lái phải bố trí thụân tiện trong việc bảo dỡng và sửa chữa.
II. các bộ phận hợp thành hệ thống lái ôtô.
B
A
1
2
3
4
5
6
7
9
8
Hình 1.2-Sơ đồ tổng quát hệ thống lái.
1.Vành lái
2.Trục lái

3.Cơ cấu lái
4.Đòn quay đứng
5.Đòn kéo dọc
6.Hình thang lái
7.Đòn quay ngang
8.Trụ xoay đứng
9.Bánh xe
7
1. Vành lái.
Vành lái có dạng vành tròn. Lực của ngời lái tác dụng lên vành lái tạo ra mô men quay để
hệ thống lái làm việc. Mô men tạo ra trên vành lái là tích số của lực ngời lái trên vành tay lái
với bán kính của vành lái.
M
vl
=P
l
.r
vl
.
Trong đó:
M
vl
: Là mô men vành lái
P
l
: Là lực mà ngời lái tạo ra trên vành lái
r
vl
: Là bán kính vành lái.
Vành lái của bất kỳ loại ôtô nào cũng có độ dơ nhất định, với xe con không đợc vợt quá

8
0
.
2. Trục lái.
Trục lái có nhiệm truyền mômen lái xuống cơ cấu lái. Trục lái gồm có trục lái chính có
thể chuyển động truyền chuyển động quay của vô lăng xuống cơ cấu lái và ống truc lái để
cố định trục lái vào thân xe. Trục lái kết hợp với một cơ cấu hấp thụ va đập. Cơ cấu này hấp
thụ lực dọc trục tác dụng lên ngời lái khi có va đập mạnh hoặc khi tai nạn xảy ra.
Trục lái thờng có hai loại: Loại trục lái có thể thay đổi đợc góc nghiêng và loại trục lái
không thay đổi đợc góc nghiêng.
Ngoài cơ cấu hấp thụ va đập ở trục lái chính còn có thể có thêm một số cơ cấu điều khiển
nh : cơ cấu khoá lái để khoá cứng trục lái, cơ cấu nghiêng trục lái để có thể điều chỉnh vị trí
vô lăng theo phơng thẳng đứng phù hợp với ngời lái, hệ thống trợt trục lái để có thể điều
chỉnh đợc chiều dài của trục lái và đạt đợc vị trí ngồi lái tốt nhất cho ngời lái .
3. Cơ cấu lái.
Cơ cấu lái là bộ giảm tốc đảm bảo tăng mô men tác động của ngời lái đến các bánh xe
dẫn hớng. Tỷ số truyền của cơ cấu lái thờng bằng 18 đến 20 đối với xe con và bằng từ 21
đến 25 đối với xe tải .
3.1. Các yêu cầu của cơ cấu lái.
Cơ cấu lái cần phải đảm bảo những yêu cầu sau:
+ Có thể quayđợc cả hai chiều để đảm bảo chuyển động cần thiết của xe.
+ Có hiệu suất cao để lái nhẹ, trong đó cần có hiệu suất thuận lớn hơn hiệu suất nghịch
để các va đập từ mặt đờng đợc giữ lại phần lớn ở cơ cấu lái
+ Đảm bảo thay đổi trị số của tỷ số truyền khi cần thiết.
8
+ Đơn giản trong việc điều chỉnh khoảng hở ăn khớp của cơ cấu lái.
+ Độ dơ của cơ cấu lái là nhỏ nhất.
+ Đảm bảo kết cấu đơn giản nhất, giá thành thấp và tuổi thọ cao.
+ Chiếm ít không gian và dễ dàng tháo lắp.
Sự đàn hồi của hệ thống lái có ảnh hởng tới sự truyền các va đập từ măt đờng lên vô lăng.

Độ đàn hồi càng lớn thì sự va đập truyền lên vô lăng càng ít, nhng nếu độ đàn hồi lớn quá sẽ
ảnh hởng đến khả năng chuyển động của xe. Độ đàn hồi của hệ thống lái đợc xác định bằng
tỷ số góc quay đàn hồi tính trên vành lái vô lăng và mô men đặt trên vành lái. Độ đàn hồi
của hệ thống lái phụ thuộc vào độ đàn hồi của các phần tử nh cơ cấu lái, các đòn dẫn động.
3.2. Tỉ số truyền của cơ cấu lái:
Tỷ số truyền cơ cấu lái ic là tỷ số giữa góc quay của bánh lái và góc quay của đòn quay
đứng.
Tỷ số truyền của cơ cấu lái đảm bảo tăng mômen từ vành lái đến các bánh xe dẫn hớng.
Tỷ số truyền lớn sẽ giảm lực đánh lái nhng ngời lái phải quay vô lăng nhiều hơn khi quay
vòng.
Vấn đề chọn tỷ số truyền của cơ cấu lái trên cơ sở ứng với 1 đến 2 vòng quay của vô lăng
thì bánh xe phải quay đợc tối đa từ 35
0
đến 45
0
từ vị trí trung gian trở đi. Quy luật thay đổi
tỷ số truyền thích hợp nhất đợc thể hiện trên giản
đồ bên:
Trong phạm vi góc quay /2 thì tỷ số truyền
của cơ cấu lái có giá trị cực đại đảm bảo chính xác
cao trong khi lái ôtô trên đờng thẳng với tốc độ cao và
giúp lái nhẹ nhàng vì đa số thời gian lái là quay
vành lái một góc nhỏ quanh vị trí trung gian. Ngoài
việc lái nhẹ ra, cơ cấu lái có tỷ số truyền thay đổi
theo qui luật nh thế sẽ giảm ảnh hởng của những va
đập từ bánh dẫn hớng lên vành lái.
9
180
360540
720 180

360 540
720
5
10
15
20
25
Hình 1.3: Quy luật thay đổi
tỷ số truyền i
c
của cơ cấu
lái
c
d
i
d




= =

(1 -1)



: góc quay bánh lái

: góc quay đòn quay
đứng
Khi > /2 thì ic giảm rất nhanh, ở hai rìa của đồ thị thì ic hầu nh không thay đổi. ở đoạn
này khi quay vành lái một góc nhỏ thì bánh dẫn hớng quay một góc lớn giúp khả năng quay
vòng của ôtô tốt hơn.
3.3. Tỷ số truyền của dẫn động lái i
d
Tỷ số truyền này phụ thuộc vào kích thớc và quan hệ của các cánh tay đòn. Trong quá
trình bánh xe dẫn hớng quay vòng giá trị của các cánh tay đòn sẽ thay đổi. Trong các kết
cấu hiện nay id thay đổi không nhiều lắm: id = 0,9 ữ 1,2
3.4. Tỷ số truyền lực của hệ thống lái i
l
Là tỷ số giữa tổng lực cản quay vòng tác dụng lên bánh xe dẫn hớng và lực đặt lên vành
lái cần thiết để khắc phục lực cản quay vòng.

c
l
l
p
i
p
=
(1 - 2)

,
c l
c l
M M
p p
c r

= =
(1 - 3)
Trong đó:
Mc - mômen cản quay vòng của bánh xe.
c - cánh tay đòn quay vòng tức là khoảng cách từ tâm mặt tựa của lốp đến đờng trục đứng
kéo dài.
M
l
- mômen lái đặt trên vành lái.
r - bán kính vành tay lái.
Nh vậy ta có:

.
c
l
l
M r
i
c M
=
(1 - 4)
Bán kính vành tay lái ở da số ôtô hiện nay là 200 ữ 250mm và tỷ số truyền góc i
g
không v-
ợt quá 25 vì vậy i
l
không đợc lớn quá, i
l
hiện nay chọn khoảng từ 10 ữ 30.
3.5. Hiệu suất thuận

Hiệu suất thuận là hiệu suất tính theo lực truyền từ trên trục lái xuống. Hiệu suất thuận
càng cao thì lái càng nhẹ. Khi thiết kế hệ thống lái yêu cầu phải hiệu suất thuận cao.
3.6. Hiệu suất nghịch
Hiệu suất nghịch là hiệu suất tính theo lực truyền từ đòn quay đứng lên trục lái. Nếu hiệu
suất nghịch rất bé thì các lực va đập tác dụng lên hệ thống chuyển động của ôtô sẽ không
10
truyền đến bánh lái đợc vì chúng bị triệt tiêu bởi ma sát trong cơ cấu lái. Nhng không thể đa
hiệu suất nghịch xuống thấp quá vì khi đó bánh lái xẽ không tự trả lại đợc về vị trí ban đầu
dới tác dụng của mômen ổn định. Bởi vậy để đảm bảo khả năng tự trả bánh lái từ vị trí đã
quay về vị trí ban đầu và để hạn chế các va đập từ đờng tác dụng lên hệ thống lái trong một
phạm vi nào đấy thì cơ cấu lái đợc thiết kế với một hiệu suất nghịch nhất định.
3.7 Một số loại cơ cấu lái thờng dùng:
3.7. 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 1.4: 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 trớc. Tùy theo điều kiện cho trớc 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 đợc đặt
trong ổ bi.
3.7. 2. Cơ cấu lái trục vít con lăn

Loại cơ cấu lái này đợc 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
11
Hình 1.5
Cơ cấu lái trục vít con lăn
A
A
A-A
B
Nhìn theo B
1
1
2
1
3
1
đứng. Số lợng ren của loại cơ cấu lái trục vít con lăn có thể là một, hai hoặc ba tuỳ theo lực
truyền qua cơ cấu lái.
3.7.3.Cơ cấu lái trục vít -êcu bi - thanh răng - cung răng.
Gồm một trục vít có hai đầu đợc đỡ bằng ổ bi đỡ chặn. Trục vít và êcu có rãnh tròn có
chứa các viên bi lăn trong rãnh. Khi đến cuối rãnh thì các viên bi theo đờng 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 hớng.
Hình 1.6- Cơ cấu lái kiểu bi tuần hoàn.
1. vỏ cơ cấu lái 6. Phớt
2. ổ bi dới 7. Đai ốc điều chỉnh

3.Trục vít 8. Đai ôc hãm
4. Êcu bi 9. Bánh răng rẻ quạt
5. ổ bi trên 10.Bi
Cơ cấu lái kiểu trục vít- êcu bi cung răng có u điểm lực cản nhỏ, ma sát giữa trục vít
và trục rẻ quạt nhỏ (ma sát lăn).
4. Dẫn động lái.
Dẫn động lái gồm những chi tiết truyền lực từ cơ cấu lái đến ngõng quay của bánh xe.
Dẫn động lái phải đảm bảo các chức năng sau:
+ Nhận chuyển động từ cơ cấu lái tới các bánh xe dẫn hớng.
+ Đảm bảo quay vòng của các bánh xe dẫn hớng sao cho không xảy ra hiện tợng trợt
bên lớn ở tất cả các bánh xe, đồng thời tạo liên kết giữa các bánh xe dẫn hớng.
+ Phần tử cơ bản của dẫn động lái là hình thang lái tạo bởi cầu trớc, đòn kéo ngang và
đòn kéo bên. Nhờ hình thang lái nên khi quay vô lăng một góc thì các bánh xe dẫn h-
ớng sẽ quay đi một góc nhất định. Hình thang lái có thể bố trí trớc hoặc sau cầu dẫn
hớng tùy theo bố trí chung.
Quan hệ hình học ACKERMAN.
Quan hệ hình học ACKERMAN biểu thị quan hệ góc quay của các bánh xe dẫn hớng
quanh trục đứng với giả thiết tâm quay tức thời của xe nằm trên đờng kéo dài của tâm trục
cầu sau .
12
10
9
8
3
2
1 7
6
5
4
Hình 1.7- Quan hệ hình học của ACKERMAN.

Để thực hiện quay vòng đúng thì các bánh xe dẫn hớng (trên cùng một cầu) phải quay theo
các góc , khác nhau và quan hệ hình học đợc xác định theo biểu thức sau :

B
Cotg Cotg
L

=
(1- 5)
Trong đó :
L : chiều dài cơ sở của xe.
B
0
: khoảng cách của hai đờng tâm trụ quay đứng trong mặt phẳng đi qua tâm
trục bánh xe và song song với mặt đờng .
, : Góc quay của bánh xe dẫn hớng 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 đợc dùng rất phổ biến. Mỗi một chủng loại xe, có kích thớc và vị trí đòn của cơ cấu
4 khâu sao cho 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 hớng lớn. Giá trị sai lệch so với lý thuyết từ
0
0
30

đến 1
0
khi bánh xe dẫn hớng ở vùng quay vòng gấp.
Đối với dầm cầu liền, hệ thống treo phụ thuộc thì cấu tạo của hình thanh lái Đantô nh
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 (rotuyl lái). Các đòn bên quay quanh
đờng tâm trụ đứng (hình 1.8)
13
H
ì
n
h
2
.1
1
S
ơ
đ
ồ
b
iể
u
d
iễ
n
c
á
c
kí
c
h
t
h
ớ

c
c
ủ
a
đ
ò
n
q
u
a
y
đ
ứ
n
g.
R
s
B
L
O

Dầm cầu liền
Đòn kéo ngang
v
b)
a)
v
Hình 1.8 - Cơ cấu 4 khâu khi có dầm cầu liền.
a. Đòn kéo ngang khi có dầm cầu liền.
b. Đòn kéo ngang nằm trớc dầm cầu.
Trên hệ thống treo độc lập, số lợng các đòn và khớp tăng lên nhằm đảm bảo các bánh xe
dịch chuyển độc lập với nhau.
Số lợng 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 nhng vẫn đảm bảo quan hệ hình học ACKERMAN, tức gần đúng
với hình thang lái Đantô. Hai phơng pháp bố trí dẫn động lái điển hình ở hệ thống treo độc
lập đợc trình bày theo hình 1.9:
Hình1.9 - Cơ cấu đòn ngang nối liên kết với hệ thống treo độc lập
a. Đòn ngang nối nằm sau dầm cầu.
b. Đòn ngang nối nằm trớc dầm cầu.
Một số xe tải hạng nặng dùng dẫn động lái hai cầu trớc tức 4 bánh dẫn hớng và hai
hình thang lái 4 khâu Đantô.
Hình 1.10 Bố trí hai cầu trớc dẫn hớng
14
H
ì
n
h

2
.1
1
S
ơ
đ
ồ
b
iể
u
d
iễ
n
c
á
c
kí
c
h
t
h
ớ
c
c
ủ
a
đ
ò
n
q

u
a
y
đ
ứ
n
g.
R
s
Trong các kết cấu hiện nay, tỷ số truyền dẫn động lái thờng nằm trong khoảng từ
0,85 đến 1,1.
5. Các góc đặt bánh xe.
Để tránh trờng hợp ngời lái vẫn phải tác động liên tục lên vô lăng để giữ xe ở trạng thái chạy
thẳng, hoặc ngời lái phải tác dụng một lực lớn để quay vòng xe, các bánh xe đợc lắp vào thân
xe với các góc nhất. Những góc này đợc gọi chung là góc đặt bánh xe. nếu các góc đặt bánh
xe không đúng thì có thể dẫn đến các hiện tợng sau:
+ Khó lái. + Trả lái trên đờng vòng kém.
+ Tính ổn định lái kém. + Tuổi thọ lốp giảm (mòn nhanh).
5.1 .Góc nghiêng ngang của bánh xe (Camber).
Góc tạo bởi đờng tâm của bánh xe dẫn hớng ở vị trí thẳng đứng với đờng tâm của
bánh xe ở vị trí nghiêng đợc gọi là góc Camber, và đo bằng độ.
Hình 1.11- Góc CAMBER.
Góc Camber ngăn ngừa khả năng bánh xe bị nghiêng theo chiều ngợc lại dới tác động
của trọng lợng xe do các khe hở và sự biến dạng trong các chi tiết của trục trớc và hệ thống
treo trớc. Đồng thời giảm cánh tay đòn
của phản lực tiếp tuyến với trục trụ đứng, để làm giảm mômen tác dụng lên dẫn động lái
và giảm lực lên vành tay lái.
Khi chuyển động trên đờng vòng, do tác dụng của lực ly tâm thân xe nghiêng theo h-
ớng quay vòng, các bánh xe ngoài nghiêng vào trong, các bánh xe trong nghiêng ra ngoài
so với thân xe. Để các bánh xe lăn gần vuông góc với mặt đờng để tiếp nhận lực bên tốt

hơn, trên xe có tốc độ cao, hệ treo độc lập thì góc Camber thờng âm.
15
9
0
0
CAMBE
R
(-) (+)
5.2.Góc nghiêng dọc trụ đứng và chế độ lệch dọc (Caster và khoảng Caster).
Góc nghiêng dọc của trụ đứng đo bằng độ, xác định bằng góc giữa trụ xoay đứng và
phơng thẳng đứng khi nhìn từ cạnh xe và phơng thẳng đứng khi nhìn từ cạnh xe tiếp xúc
giữa lốp và mặt đờng đợc gọi là khoảng Caster.
Hồi vị bánh xe do khoảng Caster: Dới tác dụng của lực ly tâm khi bánh xe vào
đờng vòng hoặc lực do gió bên hoặc thành phần của trọng lợng xe khi xe đi vào đ-
ờng nghiêng, ở khu vực tiếp xúc của bánh xe với mặt đờng sẽ xuất hiện các phản lực
bên Y
b
.
Hình 1.12 Caster và khoảng Caster
Khi trụ quay đứng đợc đặt nghiêng về phía sau một góc nào đó so với chiều tiến của xe
(Caster dơng) thì phản lực bên Y
b
của đờng sẽ tạo với tâm tiếp xúc một mô men ổn định, mô
men đó đợc xác định bằng công thức sau:
M=Y
b
.c (1- 6)
Mômen này có xu hớng làm bánh xe trở lại vị trí trung gian ban đầu khi nó bị lệch khỏi
vị trí này. Nhng khi quay vòng ngời lái phải tạo ra một lực để khắc phục mô men này. Vì
vậy, góc Caster thờng không lớn. Mômen này phụ thuộc vào góc quay vòng của bánh xe dẫn

hớng. Đối với các xe hiện đại thì trị số của góc Caster bằng khoảng từ 0
0
đến 3
0
.
16
c
Góc
Caster
(-)
(+)
V
5.3 Góc nghiêng ngang trụ đứng (Kingpin).
.
Hình 1.13 - Góc KingPin
Góc nghiêng ngang của trụ đứng đợc xác định trên mặt cắt ngang của xe. Góc Kingpin đợc
tạo nên bởi hình chiếu của đờng tâm trụ đứng trên mặt cắt ngang đó và phơng thẳng đứng.
Tác dụng:
Giảm lực đánh lái: Khi bánh xe quay quanh trụ đứng với khoảng lệch tâm là bán
kính quay của bánh xe quay quanh trụ đứng r
0
. Nếu r
0
lớn sẽ sinh ra mô men lớn quanh
trụ quay đứng do sự cản lăn của lốp, vì vậy làm
tăng lực đánh lái. Do vậy giá trị của r
0
có thể đợc giảm để giảm lực đánh lái, phơng
pháp để giảm r
0

là tạo Camber dơng và làm nghiêng trụ quay đứng (tạo góc KingPin)
Cải thiện tính ổn định khi chạy thẳng: Góc KingPin sẽ làm cho các bánh xe tự
động quay về vị trí chạy thẳng sau khi quay vòng do có mômen phản lực (gọi là
mômen ngợc) tác dụng từ mặt đờng lên bánh xe. Giá trị của mômen ngợc phụ thuộc
vào độ lớn của góc KingPin.
5.4. Độ chụm và độ mở (góc doãng).
Khi nhìn từ trên xuống, nếu phía trớc của các bánh xe gần nhau hơn phía sau thì gọi
là độ chụm. Nếu bố trí ngợc lại là độ mở.
Độ chụm đợc biểu diễn bằng khoảng cách B-A. Kích thớc B, A đợc đo ở mép ngoài
của vành lốp ở trạng thái không tải khi xe đi thẳng. Độ chụm có ảnh hởng lớn tới sự
mài mòn của lốp và ổn định của vành lái.
17
9
0

(+) (-)
Kingpin
B
A
Hình 1.14 Độ chụm
Q
uá trình lăn của bánh xe gắn liền với sự xuất hiện lực cản lăn P
f
ngợc chiều chuyển động đặt
tại chỗ tiếp xúc của bánh xe với mặt đờng. Lực P
f
này đặt cách trụ quay đứng một đoạn R
0
và tạo nên một mômen quay với tâm trụ quay đứng. Mômen này tác dụng vào hai bánh xe
và ép hai bánh xe về phía sau. Để lăn phẳng thì các bánh xe đặt với độ chụm

=B-A dơng.
Hình 1.15 - Lực cản lăn và vị trí đặt của nó.
Với góc

nh thế thì tạo lên sự ổn định chuyển động thẳng của xe tức là ổn định vành
tay lái.
ở cầu dẫn hớng, lực kéo cùng chiều với chiều chuyển động sẽ ép bánh xe về phía tr-
ớc. Bởi vậy góc

giảm.Trong trờng hợp này, để giảm ảnh hởng của lực cản lăn và lực
phanh và đồng thời giảm tốc độ động cơ đột ngột (phanh bằng động cơ), thì bố trí các
bánh xe với góc đặt

có giá trị nhỏ hơn hoặc bằng không.
6. Hệ thống lái có trợ lực.
6.1. Công dụng và sự cần thiết của hệ thống trợ lực lái.
Trợ lực của hệ thống lái có tác dụng giảm nhẹ cờng độ lao động của ngời lái. Trên xe có
tốc độ cao, trợ lực lái còn nâng cao tính an toàn chuyển động khi xe có sự cố ở bánh xe và
giảm va đập truyền từ bánh xe lên vành tay lái. Ngoài ra 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 đờng. Kết quả là cần một lực lái lớn hơn.
18
R
0
P
f
R
0
V

P
f
Vì vậy để giữ cho hệ thống lái nhanh nhạy trong khi chỉ cần lực lái nhỏ, phải có một vài
loại thiết bị trợ giúp hệ thống lái gọi là trợ lực lái.
6.2. Phân loại hệ thống trợ lực lái.
Dựa vào kết cấu và nguyên lý của van phân phối:
+ Hệ thống lái trợ lực kiểu van trụ tịnh tiến
+ Hệ thống lái trợ lực kiểu van cánh
Dựa vào vị trí của van phân phối và xi lanh lực:
+ Hệ thống lái trợ lực kiểu van phân phối, xy lanh lực đặt chung trong cơ cấu lái.
+ Hệ thống lái trợ lực kiểu van phân phối, xy lanh lực đặt riêng .
+ Hệ thống lái trợ lực kiểu van phân phối, xy lanh lực kết hợp trong đòn kéo
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. Còn nguồn năng lợng là một bơm cánh gạt đợc dẫn động từ
động cơ của xe nhờ dây đai.
6.3 . 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. Piston
trợ giúp cho việc chuyển động của thanh răng. Mức độ trợ giúp phụ thuộc vào độ lớn của
áp suất dầu tác dụng lên piston. Vì vậy nếu cần trợ lực lớn hơn thì phải tăng áp suất dầu.
6.3.1. Vị trí trung gian (khi xe chuyển động thẳng).
Dầu từ bơm đợc đẩy lên van điều khiển. Nếu van ở vị trí trung gian, tất cả dầu sẽ chảy
qua van vào cửa xả và hồi về bơm. Vì áp suất dầu bên trái và bên phải piston là nh nhau nên
piston không chuyển động về hớng nào.
19
Bơm
Khối van điều khiển
Piston
Hình 1.16 - Sơ đồ nguyên lý trợ lực lái ở vị trí trung gian
Xy lanh lực

6.3.2. Khi quay vòng .
Khi trục lái chính quay theo bất kỳ hớng 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
lợng dầu vào các cửa, cùng lúc đó áp suất dầu đợc tạo ra. Nh 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 đợc đẩy qua van điều khiển về bơm.

Hình 1.17 - Sơ đồ nguyên lý trợ lực lái khi quay vòng.
20
Bơm
Khối van
điều khiển
PistonXy lanh lực
Chơng II
Tính toán hệ thống lái
I . các thông số của xe thiết kế .
Xe du lịch 7 chỗ
Chiều dài toàn bộ: 4290 mm
Chiều rộng toàn bộ: 1800 mm
Chiều cao toàn bộ: 1855 mm
Khoảng cách giữa hai trụ quay đứng: B
0
= 1480 mm
Chiều dài cơ sở : L= 2370 mm
Chiều rộng cơ sở : B= 1730 mm
Trọng lợng không tải: G
0
= 17750 N
Phân cho cầu trớc: G
01

= 9000 N
Phân cho cầu sau: G
02
= 8750 N
Trọng lợng toàn tải: G
T
= 25100 N
Phân cho cầu trớc: G
1
= 12000 N
Phân cho cầu sau: G
2
= 13100 N
Ký hiệu lốp: 215/80 R16S
hKmV
phvNmM
phvmlN
e
e
/160
/2400/295
/3600/125
max
max
max
=
=
=
II. lựa chọn phơng án thiết kế .
2.1. Chọn phơng án dẫn động lái.

Phần tử cơ bản của dẫn động lái là hình thang lái ĐANTÔ, nó đợc tạo bởi cầu trớc, 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 ngời 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 có hệ thống treo
21
phụ thuộc, do đó chọn phơng án dẫn động lái với hình thang lái Đantô (hình thang lái 4
khâu).
2.2. Chọn phơng án cơ cấu lái.
Dựa vào những u điểm đã trình bày trong phần tổng quan cơ cấu lái, ta chọn phơng án
cho cơ cấu lái là loại trục vít - êcu bi - cung răng.
Cơ cấu lái loại này có u điểm là hiệu suất cao (0,65 - 0,7), độ bền cao, dễ dàng phối hợp
với van phân phối và xy lanh của cờng hoá thuỷ lực và hệ thống lái 4 khâu.
III. tính toán động học hình thang lái.
Nhiệm vụ của tính toán động học hình thang lái là xác định những thông số tối u của
hình thang lái, đảm bảo động học quay vòng của các bánh xe dẫn hớng.
3.1. Xác dịnh kích thớc hình học của hình thang lái và quan hệ động học của góc quay
bánh xe dẫn hớng.
3.1.1 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 hớng 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 đợc thể hiện ở công thức sau:
L
B
gg
o
=

cotcot
(2-1)

suy ra: cotg

=

g
L
B
cot
0
+
Với B
0
= 1480 (mm); L= 2370 (mm)
: là góc quay của bánh xe dẫn hớng bên ngoài.
: là góc quay của bánh xe dẫn hớng bên trong.
Khi xe đi thẳng các đòn bên tạo với phơng dọc một góc . Khi ôtô quay vòng với các
bán kính quay vòng khác nhau mà quan hệ giữa và vẫn đợc giữ nguyên nh công thức
trên thì hình thang lái Đantô không thể thoả mãn hoàn toàn đợc. 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 đợc vợt quá 1,5 độ.

22
XL
L
n
m
C
B

Khi xe quay vòng để đảm bảo cho các bánh xe dẫn hớng không bị trợt lết hoặc trợt quay thì
đờng 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 0 trên hình 2.2).


Thay các giá trị tơng ứng ta có bảng sau (đơn vị đo góc là độ):
Bảng 1: Quan hệ giữa

và

theo lý thuyết
lt

0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 40.00
lt

0.00 4.74 9.03 12.95 16.53 19.85 23.05 26.00 28.92
3.1.2 Xây dựng các quan hệ thực tế của cơ cấu Đantô.
Hình thang lái Đantô là cơ cấu đảm bảo gần đúng quan hệ của công thức trên. Khi cho
trớc các kích thớc

,,.,,
0
nmLB
thì quan hệ

,
đợc xác định nhờ công thức sau:

( )
( )
( )
( ) ( )
[ ]
2
0
22
0
2
0
0
sin.cos.
sin.2sin.2sin.
arcsin
sin.
cos.





+++
++

+
+
+=
mBm

BmBm
mB
m
artg
(2-2)
23
Hình2.2 Sơ đồ động học quay vòng xe có hai bánh dẫn hớng phía trớc.
Hình2.1 Sơ đồ động học hình thang lái khi xe đi thẳng.


B
L
R
s
0


Theo quan hệ này khi biết trớc một góc nào đó thì ứng với mỗi giá trị của góc ta sẽ có
một giá trị của . Nghĩa là hàm số = f(,) sẽ biểu thị đợc đờng 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 đờng cong đặc tính của hình thang lái so với đờng đặc tính lý thuyết là nhỏ
nhất.
Dùng phơng pháp đồ thị để kiểm tra sự sai khác của đờng đặc tính hình thang lái thực tế
so với lý thuyết theo quan hệ = f(,).
Chọn
(0,14 0,16)
o
m B= ữ
Theo kinh nghiệm ta chọn
0,15.1480 222( )m mm= =

Chọn sơ bộ góc ban đầu theo công thức của E.A.
aKoby
:
0
0
04,24
45,0
2370.7,0.2
1480
.7,0.2
)90(cot
=
===


L
B
g
Dựa vào công thức (2-2) ta xây dựng các đờng đặc tính hình thang lái thực tế ứng với
mỗi giá trị của góc . Đồng thời ta lấy thêm một vài giá trị lân cận với góc để so sánh. Các
giá trị tơng ứng đợc thể hiện trong bảng dới đây:
Với:
ttlt

=
Bảng 2: Bảng giá trị quan hệ giữa

và

phụ thuộc vào góc

lt

0.00 4.74 9.03 12.95 16.53 19.85 23.05 26.00 28.92
lt

0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 40.00
1

= 24.04
0
1

0.00 4.79 9.17 13.18 16.80 20.05 22.90 25.34 27.33
1


0.00 -0.05 -0.14 -0.23 -0.27 -0.20 0.15 0.66 1.59
2

=23
0
2

0.00 4.80 9.21 13.26 16.95 20.27 23.21 25.74 27.85
24
2


0.00 -0.06 -0.18 -0.31 -0.42 -0.42 -0.16 0.26 1.07

3

= 22
0
3

0.00 4.81 9.25 13.35 17.10 20.49 23.51 26.14 28.34
3


0.00 -0.07 -0.22 -0.40 -0.57 -0.64 -0.46 -0.14 0.58
4

= 25
0
4

0.00 4.78 9.13 13.09 16.66 19.84 22.61 24.96 26.86
4


0.00 -0.04 -0.10 -0.14 -0.13 0.01 0.44 1.04 2.06
Dựa vào các số liệu trong bảng trên ta vẽ đợc đồ thị đặc tính động học hình thang lái lý
thuyết và thực tế trên cùng một hệ trục toạ độ.
0.00
5.00
10.00
15.00
20.00
25.00

30.00
35.00
0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 40.00 45.00
Lý thuyet
teta 1
teta2
teta3
teta4
Hình 2.3: Đồ thị đặc tính động học hình thang lái
25