tính toán thiết kế hệ thống lái xe tải hạng nặng

Đồ án môn học Hệ thống lái

Lời nói đầu
Công cuộc đổi mới đất nớc của nhân dân ta đã thu đợc thành tựu to lớn
có ý nghĩa quan trọng, những tiền đề cho công nghiệp hóa, hiện đại hóa đã đ-
ợc hoàn thành về cơ bản, nớc ta chuyển sang thời kỳ mới, thời kỳ đẩy mạnh
công nghiệp hóa, hiện đại hóa.
Để có đợc những tiền đề trên ngành công nghệ chế tạo nớc ta trong
những năm gần đây đã có những tiến bộ nhanh chóng, trong đó không thể
không nói đến sự tiến bộ nhảy vọt của nền công nghiệp ô tô. Chỉ trong khoảng
10 năm trở lại đây, trên thị trờng Việt Nam đã xuất hiện ngày càng nhiều các
loại xe lắp ráp trong nớc và nhập từ nớc ngoài, với kiểu dáng thẩm mỹ, tiện
nghi sang trọng, tốc độ cao, độ an toàn lớn, hiệu quả về kinh tế. Đặc biệt các
loại xe này có tỷ lệ nội hóa ngày càng cao.
Tai nạn về giao thông không những thiệt hại lớn về ngời mà còn gây
thiệt hại lớn về tài sản của Nhà nớc và của công dân . Theo [10] thì trong tai
nạn giao thông đờng bộ 60
ữ
70% do con ngời gây ra (nh lái xe say rợu, mệt
mỏi, buồn ngủ v.v), 10
ữ
15% do h hỏng máy móc, trục trặc kỹ thuật và 15
ữ
30% do đờng sá quá xấu
Trong nguyên nhân do h hỏng máy móc, trục trặc kỹ thuật thì tỉ lệ tai
nạn do các cụm đợc thống kê nh sau:
Phanh chân 52,2
ữ
74,4%
Phanh tay 4,9
ữ

16,1%
Lái 4,9
ữ
19,2%
ánh sáng 2,3
ữ
8,7%
Bánh xe 2,5
ữ
10%
Các h hỏng khác 2
ữ
18,2%
Qua số liệu trên đây thấy rằng cùng với hệ thống phanh hệ thống lái
đóng vai trò quyết định trong việc đảm bảo chuyển động an toàn của xe. Cũng
vì thế mà hệ thống lái ngày càng đợc cải tiến, tiêu chuẩn về thiết kế chế tạo và
sử dụng hệ thống lái ngày càng nghiêm ngặt và chặt chẽ .
Qua tìm hiểu và nghiên cứu kỹ cùng với yêu cầu nhiệm vụ của đồ án
môn học tôi quyết định chọn đề tài : Tính toán và thiết kế hệ thống lái cho
ôtô tải hạng nặng.
1
Đồ án môn học Hệ thống lái
Nội dung bao gồm :
1. Giới thiệu chung về hệ thống lái.
2. Xây dựng và chọn phơng án thiết kế .
3. Tính toán và kiểm bền cho chi tiết .
4. Bản vẽ kết cấu cơ cấu lái.
Do điều kiện thời gian hạn chế nên trong đồ án này tập chung vào cơ
cấu lái là chủ yếu. Trong quá trình thực hiện không tránh khỏi những thiếu sót
rất mong đợc các thầy và đồng nghiệp tận tình giúp đỡ.

Xin chân thành cảm ơn!
Học viên thực hiện
Nguyễn Hồng Sơn





2
Đồ án môn học Hệ thống lái
Chơng i
Giới thiệu chung Hệ thống lái ôtô
1. Mô tả chung hệ thống lái.
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 quay vòng của ôtô khi cần thiết .
Đa số các ôtô hiện nay đều thực hiện quay vòng bằng cách thay đổi mặt
phẳng lăn của bánh xe dẫn hớng. Phơng pháp này có cấu tạo đơn giản, nhng
yêu cầu kích thớc cơ sở hợp lý để tạo bán kính quay vòng nhỏ. Việc điều
khiển các bánh xe trớc đợc áp dụng trên các xe UAZ-469, GAZ-66, ZIL131,
URAL-375, URAL-4320, KPAZ-255ở xe nhiều cầu (8x8) việc điều khiển
tiến hành nhờ hai cầu dẫn hớng phía trớc áp dụng trên các xe BTR-60P, T-813,
T-815, HUYNDAI
Dới đây là sơ đồ tổng quát của hệ thống lái không có trợ lực
Hình 1.1-Sơ đồ tổng quát hệ thống lái.
1.vành tay lái 5.Thanh kéo dọc
2.Trục lái. 6.Đòn quay ngang
3.Cơ cấu lái. 7.Hình thang lái
4.Đòn quay đứng
Khi ôtô quay vòng với vận tốc rất chậm, có thể bỏ qua lực ly tâm gọi là

trạng thái quay vòng tĩnh.
Khi ôtô quay vòng với vận tốc cao, ta xét đến lực ly tâm gọi là trạng thái
quay vòng động.
1
6
2
3
7
4
5
3
Đồ án môn học Hệ thống lái
Trong thực tế xe thờng chuyển động ở tốc độ lớn, do vậy quay vòng động
là chủ yếu, trong đó quay vòng thiếu, quay vòng thừa xảy ra do việc thay đổi
tốc độ chuyển động, sự đàn hồi của lốp và hệ thống treo.
Vấn đề chất tải, độ đàn hồi của lốp có ảnh hởng ở mức độ nhất định tới tính
năng quay vòng và an toàn chuyển động của xe. Do vậy cần thiết phải hiểu rõ
kết cấu của hệ thống lái.
2. Công dụng và phân loại hệ thống lái.
2.1.Công dụng
- Giữ phơng chuyển động thẳng hoặc thay đổi hớng chuyển động của
xe.
- Đảm bảo an toàn cho ngời và hàng hoá trên xe.
2.2.Phân loại hệ thống lái ôtô.
Có nhiều cách phân loại hệ thống lái:
a) Phân loại theo phơng pháp chuyển hớng .
- Chuyển hớng hai bánh xe ở cầu trớc.
- Chuyển hớng tất cả các bánh xe .
b) Phân loại hệ thống lái theo kiểu truyền lực .
+ Hệ thống lái cơ khí .

+ Hệ thống lái cơ khí có trợ lực bằng thuỷ lực hoặc bằng
khí nén.
c) Phân loại theo kết cấu của cơ cấu lái.
- Cơ cấu lái kiểu trục vít.
Cơ cấu lái loại trục vít có thể là:
+ Trục vít bánh vít.
+ Trục vít - cung răng đặt ở giữa trục vít.
+ Trục vít - cung răng đặt ở cạnh bên trục vít.
+ Trục vít con lăn.
- Cơ cấu lái kiểu trục vít vô tận.
+ Trục vít vô tận êcu - đòn ( có tỉ số truyền thay đổi).
+ Trục vít vô tận di độngêcu (có tỉ số truyền thay đổi).
+ Trục vít đai ốc -thanh răng cung răng (có tỉ số
truyền không đổi).
4
Đồ án môn học Hệ thống lái
d) Phân loại theo bố trí vành lái .
- Bố trí vành lái bên trái (theo luât đi đờng bên trái ).
- Bố trí vành lái bên phải (theo luật đi đờng bên phải ).
e) Phân loại theo kết cấu đòn quay.
- Trục vít và đòn quay với một chốt quay.
- Trục vít và đòn quay với hai chốt quay.
3. Yêu cầu của hệ thống lái ôtô.
An toàn chuyển động trong giao thông vận tải bằng ôtô là chỉ tiêu
hàng đầu trong việc đánh giá chất lợng thiết kế và sử dụng phơng tiện này.
Để đảm bảo tính êm dịu chuyển động trên mọi loại đờng hệ thống lái cần
đảm bảo các yêu cầu sau :
+ Hệ thống lái phải đảm bảo dễ dàng điều khiển, nhanh chóng và an
toàn.
+ Đảm bảo ổn định bánh xe dẫn hớng: các bánh xe dẫn hớng sau khi

thực hiện quay vòng cần có khả năng tự động quay về trạng thái
chuyển động thẳng. Để quay bánh xe về trạng thái chuyển động
thẳng chỉ cần đặt lực trên vành lái nhỏ hơn khi xe đi đờng vòng.
+ Đảm bảo khả năng quay vòng hẹp dễ dàng: Khi xe đi trên đờng hẹp,
đờng gấp khúc.
+ Đảm bảo lực lái thích hợp nhng vẫn gây đợc cảm giác về trạng thái
mặt đờng. Đảm bảo hiệu suất thuận phải lớn hơn hiệu suất nghịch
để giảm tác động từ mặt đờng qua kết cấu lái lên vô lăng.
+ Hệ thống lái không đợc có độ dơ lớn: Với xe có vận tốc lớn nhất
trên 100Km/h, thì độ dơ vành lái không vợt quá 18
0
, với xe có vận
tốc lớn nhất từ 25 km/h đến 100km/h thì độ dơ vành lái không vợt
quá 27
0
.
+ Đảm bảo tính tuỳ động.
4. Cơ cấu lái.
4.1.1. Các yêu cầu của 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.Vì vậy nó cần phải đảm bảo những yêu cầu sau :
5
Đồ án môn học Hệ thống lái
+ Có thể quay đợc 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.
+ 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, tuổi thọ cao dễ
tháo lắp.
4.1.2. Một số cơ cấu lái điển hình.
Có nhiều loại cơ cấu lái nhng dới đây chỉ nêu một số loại phổ biến:
1. Kiểu bánh răng thanh răng.


Hình 1.2- Cơ cấu lái kiểu bánh răng thanh răng.
1. Trục lái. 7. Đai ốc .
2. Chụp nhựa. 8. Đai ốc điều chỉnh .
3. Đai ốc điều chỉnh. 9. Lò xo.
4. ổ bi trên. 10. Thanh răng.
5. Vỏ cơ cấu lái. 11. trục răng.
6. Dẫn hớng thanh răng . 12. ổ bi dới.
u điểm :
11
10
9
8
7 6
5
4
3
12
2
1
6
Đồ án môn học Hệ thống lái
+ Cơ cấu lái đơn giản gọn nhẹ. Do cơ cấu lái nhỏ và bản
thân thanh răng tác dụng nh thanh dẫn động lái nên

không cần các đòn kéo ngang nh các cơ cấu lái khác.
+ Có độ nhạy cao vì ăn khớp giữa các răng là trực tiếp.
+ Sức cản trợt, cản lăn nhỏ và truyền mô men rất tốt nên
tay lái nhẹ.
Nhợc điểm:
+ Chế tạo phức tạp nên giá thành cao.
+ Sử dụng cho xe có tải trọng bé.
2. Kiểu trục vít -đai ốc- thanh răng cung răng.
Phổ biến trên xe tải hạng nặng Kpaz-255B, ZIL- 130,ZIL-131

Hình 1.3: Cơ cấu lái trên ôtô Zil-131
u điểm :
- Trọng lợng và kích thớc nhỏ, song vẫn đảm bảo áp lực trên bề
mặt răng bé, có khả năng điều chỉnh khe hở ăn khớp.
- Lực cản nhỏ, do ma sát trợt đợc thay thế bằng ma sát lăn(giữa
bi và êcu, giữa bi và trục vít) .
- Đảm bảo tỷ số truyền của cơ cấu lái lớn và có tính chất trả lại
tay lái khi quay vòng.
- Hiệu suất lớn hơn tất cả các loại cơ cấu lái loại khác(trừ thanh
răng khía),
thuận
=
nghịch
=0,7- 0,85
7
Đồ án môn học Hệ thống lái
Nhợc điểm:
- Cơ cấu lái có tỷ số truyền không đổi.
- Không điều chỉnh khe hở ăn khớp giữa.
- Hiệu suất nghịch tơng đối cao nên có hiện tợng va đập lớn.

3. Trục vít lõm- con lăn.
Loại cơ cấu lái kiểu trục vít lõm con lăn đợc áp dụng rộng rãi trên ôtô
quân sự có tải trọng bé và trung bình (GAZ-53,GAZ-66, ZIL-157).
Hình 1.4 : Cơ cấu lái trên xe ôtô GAZ 66
Ưu điểm
- Dạng lõm của trục vít kết hợp với con lăn cho góc quay lớn,
đảm bảo ăn khớp tin cậy ở những vị trí ngoài.
- Kích thớc của bộ truyền nhỏ gọn, hiệu suất tơng đối cao.
- Tỉ số truyền thay đổi.
Nhợc điểm
- Gây mòn không đều trên chiều dài ăn khớp do đó phải thờng
xuyên điều chỉnh ổ và khe hở ăn khớp.
4. Trục vít và cung răng đặt ở cạnh bên trục vít.
8
Đồ án môn học Hệ thống lái
Hình 1.5 : Cơ cấu lái trên xe ôtô URAL - 4320
1- Cơ cấu lái; 2- ổ thanh lăn trụ; 3 Trục vít; 4, 39- Nút đổ, xả dầu ; 5-
Cung răng; 6- Trục lái; 7 Vòng chắn dầu; 8- ổ chặn ; 9,13, 22 - Đệm;
10- Trụ phản lực;11,12- Lò xo van phân phối ; 14 - Đai ốc; 15- ổ bi
cầu,16,17- Vòng hãm; 18- Chốt hãm;19 Nắp bên, 20- Đệm điều
chỉnh; 21- Chốt; 23- Bạc chặn; 24-ổ bi kim; 25- Vòng chắn dầu; 26-
Đòn quay đứng; 27- Nắp vỏ con trợt; 29, - Vòng di động;28, 31- Vỏ
van phân phối; 32- Con trợt; 36- Van thông qua; 37- Lò xo;30, 38- Vít;
33-Đệm; 34, 35-Bạc chặn ;37- Nắp; 38- Đai ốc .
Ưu điểm:
- Trục vít và cung răng tiếp xúc nhau theo đờng nên tải trọng
truyền đều
- Giá trị ứng suất tiếp xúc và độ mòn của trục vít và cung răng
đều giảm
Nhợc điểm:

- Hiệu suất thấp và tỉ số truyền của cơ cấu lái có giá trị không
đổi.
4.2.Dẫn động lái .
Dẫn động lái bao gồm tất cả những chi tiết truyền lực từ cơ cấu lái đến
ngõng quay của bánh xe. Vì vậy dẫn động lái trên xe phải đảm bảo các chức
năng sau :
+ Nhận chuyển động từ cơ cấu lái tới các bánh xe dẫn 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
9
Đồ án môn học Hệ thống lái
lăng một góc thì các bánh xe dẫn hớng sẽ quay đi một góc nhất
định.
Quan hệ hình học của ACKERMAN.
Quan hệ hình học của ACKERMAN là biểu thị quan hệ góc quay của các
bánh xe dẫn hớng quanh trục đứng với giả thiết tâm quay vòng tức thời của xe
nằm trên đờng kéo dài của tâm trục cầu sau .
Hình 1.6- Quan hệ hình học của ACKERMAN.
điều kiện quay vòng không trợt bên:
cotg - cotg =B
0
/L. (1)
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. Giá trị sai lệch
so với lý thuyết từ 0
0
30

đến 1
0
khi bánh xe dẫn hớng 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. Các đòn
bên quay quanh đờng tâm trụ đứng.
Phơng pháp bố trí đợc trình bày nh hình dới đây.
R
s
B
L
O

10
Đồ án môn học Hệ thống lái
Dầm cầu liền
Đòn kéo ngang
v
b)
a)
v
Hình 1.7 - Cơ cấu 4 khâu khi có dầm cầu liền.
a. Đòn kéo ngang nằm sau dầm cầu .
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 treonhng 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 dới đây:

Hình 1.8 - 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.
Hiện nay trên xe con thông dụng là hệ thống treo độc lập, do vậy

dẫn động lái có rất nhiều đòn và khớp.
V
V
a
b
11
Đồ án môn học Hệ thống lái
5. Hệ thống lái có trợ lực .
5.1.Công dụng và sự cần thiết của trợ lực lái .
Trợ lực của hệ thống lái có tác dụng giảm nhẹ cờng độ lao động của ngời
lá, giảm mệt mỏi khi xe hoạt động trên đờng dài. Đặc biệt trên xe có tốc độ
cao, trợ lực lái còn nhằm nâng cao tính an toàn chuyển động khi xe có sự cố ở
bánh xe nh nổ lốp, hết khí nén trong lốp và giảm va đập truyền từ bánh xe lên
vành tay lái.
Để cải thiện tính êm dịu chuyển động, phần lớn các xe hiện đại đều dùng
lốp bản rộng, áp suất thấp để tăng diện tích tiếp xúc với mặt đờng. Kết quả là
cần một lực lái lớn hơn.
Lực lái có thể giảm bằng cách tăng tỷ số truyền của cơ cấu lái. Tuy nhiên
việc đó lại đòi hỏi phải quay vô lăng nhiều hơn, thời gian quay vòng kéo dài.
Chính vì vậy trợ lực lái đựơc sử dụng phổ biến trên ôtô ngày nay .
5.2.Phân loại hệ thống trợ lực lái .
Trợ lực lái đợc chia thành nhiều kiểu và đều gồm 3 bộ phận chính : bơm,
van điều khiển và xy lanh lực .
Trợ lực lái đợc chia thành các kiểu sau :
+ Loại trợ lực thuỷ lực .
+ Loại trợ lực khí(gồm cả cờng hoá chân không) .
+ Loại trợ lực điện.
+ Loại trợ lực cơ khí.
Vị trí bố trí các bộ phận của trợ lực lái vào hệ thống lái:
+ Van phân phối, xy lanh lực đặt chung trong cơ cấu lái, áp

dụng trên xe ZIL-130, ZIL-131.
+ Van phân phối nằm trong cơ cấu lái, xy lanh lực đặt riêng, áp
dụng trên xe URAL-375, URAL-4320.
+ Van phân phối, xy lanh lực đặt thành cụm riêng, tách biệt với
cơ cấu lái, áp dụng trên xe KPAZ- 255B.
+ Xy lanh lực, van phân phối và cơ cấu lái riêng biệt nhau, áp
dụng trên xe GAZ-66, BTR-60PB.
Hiện nay dạng bố trí thông dụng nhất trên hệ thống lái của xe là van phân
phối, xy lanh lực và cơ cấu lái đặt chung.
12
Đồ án môn học Hệ thống lái
5.3 Nguyên lý trợ lực lái .
Trợ lực lái là một thiết bị thuỷ lực sử dụng công suất của động cơ để giảm
nhẹ lực lái. Động cơ dẫn động bơm tạo ra dầu cao áp tác dụng lên piston nằm
trong xy lanh lực. Mức độ trợ giúp phụ thuộc vào độ lớn của áp suất dầu tác
dụng lên piston. Vì vậy nếu cần trợ lực lái lớn hơn thì phải tăng áp suất dầu.
5.3.1 . Vị trí chung gian (khi xe chuyển động thẳng ).
Nguyên lý :
Nếu van ở vị trí chung gian, tất cả dầu sẽ chảy qua van vào cửa xả và hồi về
bơm. Vì áp suất dầu bên trái và bên phải piston là nh nhau lên piston không
chuyển động về hớng nào.

Hình 1.9 - Sơ đồ nguyên lý trợ lực lái ở vị trí chung gian .
5.3.2. 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.

Bơm
Khối van điều khiển
PistonXy lanh lực
13
Đồ án môn học Hệ thống lái

Hình 1.10 - Sơ đồ nguyên lý trợ lực lái khi quay vòng.
Chơng II
Tính toán hệ thống lái
I. các số liệu thiết kế .
1. Theo yêu cầu của đồ án môn học tham khảo số liệu .
Xe tải hạng nặng URAL - 4320 đời 1977
Chiều dài toàn bộ :7355 mm
Chiều cao toàn bộ :2870 mm
Khoảng cách giữa hai trụ quay đứng : B
0
=1700 mm
Chiều dài cơ sở của cầu dẫn hớng : L=4225 mm.
Trọng lợng không tải : G
0
=8020 KG
Trọng lợng toàn tải : G
T
=13425 KG.
Ký hiệu lốp : 14.00-20
Trọng lợng toàn tải phân bố ra cầu trớc : G
T1
=4350 KG
Bơm
Khối van điều khiển

PistonXy lanh lực
14
Đồ án môn học Hệ thống lái
Trọng lợng toàn tải phân bố ra cầu giữa và cầu sau :
G
T2
=G
T3
=9075 KG
2. Yêu cầu thiết kế hệ thống lái .
- Quay vòng ngặt trong thời gian ngắn nhất trên diện tích nhỏ nhất .
- Lực lái nhẹ, tức lực đặt trên vành tay lái phải nhỏ nhng phải đảm bảo
cảm giác tới ngời lái.
- Ôtô chuyển động thẳng phải ổn định đặc biệt ở tốc độ cao.
- Động học quay vòng đúng, các bánh xe khi quay vòng phải lăn theo
tâm quay tức thời để đảm bảo các bánh xe lăn không bị trợt trên đ-
ờng, tránh mòn lốp nhanh và tiêu hao công suất cho lực ma sát .
- Đặt cơ cấu lái trên phần đợc treo để kết cấu của hệ thống treo bánh
trớc không ảnh hởng tới động học cơ cấu lái .
II. chọn phơng án thiết kế .
1. Chọn phơng án dẫn động lái.
Dẫn động lái gồm tất cả các cơ cấu truyền lực từ cơ cấu lái đến ngõng
quay của các bánh xe dẫn hớng khi quay vòng.
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 là xe tải hạng nặng, có hệ thống treo phụ thuộc ta chọn

phơng án dẫn động lái nh hình vẽ với hình thang lái Đantô (hình thang lái 4
khâu).
2. Chọn phơng án cơ cấu lái .
Hiện nay trên các xe chủ yếu sử dụng hai loại cơ cấu lái là: cơ cấu lái loại
trục răng - thanh răng và cơ cấu lái loại bi tuần hoàn.
Dựa vào những u điểm đã trình bày trong phần tổng quan cơ cấu lái và
điều kiện làm việc của xe, ta chọn phơng án cho cơ cấu lái là loại trục vít -đai
ốc-thanh răng cung răng.
15
Đồ án môn học Hệ thống lái
3. Chọn phơng án trợ lực lái .
Yêu cầu đối với trợ lực lái .
Khi hệ thống của trợ lực lái có sự cố thì hệ thống lái vẫn có thể làm
việc. Nếu có h hỏng xảy ra làm ngng việc cấp dầu từ bơm đến cơ
cấu lái thì ngời lái có thể lái đợc xe mà không cần tới trợ lực lái,
nhng với một lực lái lớn hơn .
Đảm bảo lực lái thích hợp : Công dụng chính của trợ lực lái là giảm
lực lái đồng thời đó là một cơ cấu an toàn, mức độ giảm lực lái phải
phù hợp với từng điều kiện chuyển động của xe. ở tốc độ trung bình
cần lực lái nhỏ hơn và lực lái giảm dần khi tốc độ tăng, cùng lúc đó
cảm giác đờng phải đựơc truyền tới ngời lái.
Khắc phục hiện tợng tự cờng hoá khi ôtô vợt qua chỗ lõm, đờng
xấu, có khả năng cờng hoá lúc lốp xe bị hỏng, để khi đó ngời lái vừa
phanh ngặt, vừa giữ đợc hớng chuyển động ban đầu của xe .
Thời gian cờng hoá phải là tối thiểu và chỉ cờng hoá khi lực quay
vòng lớn.
Với nhiệm vụ thiết kế ta chọn phơng án trợ lực thuỷ lực vì nó có các u
điểm sau :
- Kích thớc và khối lợng gọn nhẹ ,dễ bố trí .
- Có hiệu quả tác động cao đặc biệt là tính tuỳ động.

- Tốc độ tác động cao (độ chậm tác dụng khoảng 0,05 giây ).
- Đóng vai trò giảm những va đập từ mặt đờng lên hệ thống lái .
- Hệ thống tuần hoàn kín nên độ an toàn hoạt động cao và ít xảy ra
h hỏng.
III. tính toán thiết kế hệ thống lái.
1. Tính mômen quay vòng cực đại.
Mômen cản quay vòng ở các bánh xe dẫn hớng đợc xác định ở trạng thái xe
quay vòng và chở đủ tải. Mômen cản quay vòng đợc tính toán khi xuất hiện
lực cản lăn ở hai bánh xe ngợc chiều nhau, có mặt lực bên Y, mô men ổn định
của bánh xe dẫn hớng.
M
C
= M
1
+M
2
+M
3
16
Đồ án môn học Hệ thống lái
+ Mô men cản quay vòng gây nên do lực cản lăn:
M
1
= 2P
f
c = 2G
bx
. f.c (2.1)
c: cánh tay đòn của lực P
f

quay xung quanh trụ đứng.
Theo kinh nghiệm c : Xe tải lớn và xe khách 60 200 mm.
nên ta chọn sơ bộ c=70 (mm)
+ Giá trị mômen do Y gây lên M
2
đợc tính cho một bánh xe, phản lực
bên lùi sau một đoạn x. Giá trị của x thừa nhận bằng 1/4 chiều dài của
vết tiếp xúc và gây lên mômen quay cùng chiều M
1
.
M
2
= Y. x 0,14. G
bx
.
y
.r
bx
(2.2)

y
: hệ số bám ngang 0,8
r
bx
: bán kính bánh xe
Hình 2.1 - Sơ đồ trụ đứng nghiêng trong mặt phẳng ngang.
Điểm đặt lực sẽ nằm cách trục bánh xe một khoảng x về phia sau:
22
.5,0
bx

rrx =
(2.3)
Với r-bán kính tự do của bánh xe dẫn hớng
4,25.
2






+=
d
Br
(mm)
Với: B - chiều rộng của lốp(B=H) (inch)
H- chiều cao của lốp .
d - đờng kính vành bánh xe (inch).
Với bánh xe có ký hiệu 14,00-20 (số liệu thiết kế ) ta có các kích thớc :
B = H = 14 (inch)
d = 20 (inch)
Do đó ta tính đợc r:
6,6094,25.
2
20
10 =

+=r
(mm) (2.4)
rbx
c

17
Đồ án môn học Hệ thống lái
r
bx
- bán kính làm việc trung bình của bánh xe,và đợc xác định theo công
thức sau:
rr
bx
.

=

- hệ số kể đến sự biến dạng của lốp.
Với lốp có áp suất thấp ta có
935,0930,0 ữ=

,ta chọn
935,0=

Từ đó ta tính đợc r
bx
:
r

bx
=0,935.609,6=569,97 (mm) (2.5)
Thay (2.4) và (2.5) vào công thức (2.3) ta tính đợc :
1,10898,474508.5,0
22
==x
(mm)
+ Mômen ổn định M
3
có giá trị nhỏ nên khi tính có thể dùng hệ số .
Mômen cản tổng cộng trên cầu dẫn hớng đợc tính toán nh sau:
M
c
= M
1
+ M
2
+ M
3
2 G
bx
(f.c + 0,14.
y.
r
bx
) (2.6)
Giá trị theo kinh nghiệm 1,07-1,15. Chọn =1,1
Thay số vào ta có
M
c

=344,98 (KG.m)
2. Tỷ số truyền của hệ thống lái.
2.1.Tỷ số truyền của dẫn động lái i
d
.
Tỷ số truyền của dẫn động lái phụ thuộc vào kích thớc và quan hệ của
các cánh tay đòn. i
d
=0,85-1,1
Chọn sơ bộ i
d
=1 ( cho cầu dẫn hớng).
2.2.Tỷ số truyền của cơ cấu lái i


.
Tỷ số truyền của cơ cấu lái loại trục vít-êcu-bi-răng rẻ quạt đợc tính theo
công thức sau :
t
R
i
0
2


=
Trong đó :
t-bớc vít của trục vít
R
0

- bán kính vòng chia của bánh răng rẻ quạt.
R
0
và t không đổi nên tỷ số truyền của loại cơ cấu lái trục vít vô tận-
êcu cung răng là không đổi.
Tỷ số truyền của cơ cấu lái loại này thờng lấy theo kinh nghiệm thiết kế
2522 ữ=

i
, ta chọn sơ bộ
24=

i
.
18
Đồ án môn học Hệ thống lái
2.3.Tỷ số truyền của hệ thống lái.
Tỷ số truyền của hệ thống lái bằng tích số của tỷ số truyền cơ cấu lái (i

) và tỷ số truyền của dẫn động lái(i
d
).
i=i

.i
d
Giá trị tỷ số truyền chọn sơ bộ i=24.1=24
2.4.Tỷ số truyền lực của hệ thống lái.
I
l

- là tỷ số của tổng lực cản khi ôtô máy kéo quay vòng(P
c
) và lực đặt trên
vành tay lái khi cần thiết để khắc phục đợc lực cản quay vòng(P
l
).
l
c
l
P
P
I =
Trong đó:
R
M
P
c
M
P
l
l
c
c
=
=
Với : M
l
- mômen đặt trên vành tay lái.
R - bán kính vành tay lái.

3. Tính toán các thông số hình học của hệ dẫn động lái.
3.1.Tính toán hình thang lái.
a) Công dụng của hình thang lái:
- Hình thang lái có tác dụng đảm bảo sự quay vòng đúng của các bánh xe
dẫn hớng. Khi đó các bánh xe dẫn hớng không có sự trợt khi xe chuyển động.
- Đảm bảo quan hệ giữa góc quay của bánh xe dẫn hớng bên trái và bên
phải sao cho các bánh xe lăn trên các đờng tròn khác nhau nhng đồng tâm.
b) Xây dựng đờng đặc tính lý thuyết của hệ thống lái cầu dẫn hớng:
Muốn các bánh xe thực hiện quay vòng đúng thì quan hệ giữa chúng phải
thoả mãn công thức sau :
Cotg -Cotg =
L
B
0
(2.7)
Trong đó :
: Là góc quay của bánh xe dẫn hớng ngoài của cầu dẫn hớng.
: Là góc quay của bánh xe dẫn hớng trong của cầu dẫn hớng .
L : chiều dài cơ sở của xe .
B
0
: Khoảng cách giữa hai đờng tâm trụ quay đứng .
19
Đồ án môn học Hệ thống lái

Hình 2.2 - Sơ đồ động học khi quay vòng.
Theo hình vẽ : Cotg =
L
OD
Ta tìm đợc mối quan hệ của các góc quay bánh xe dẫn hớng với góc

nh sau :


Cotg
L
B
Cotg +=
0

Cho

các giá trị khác nhau từ
00
400 ữ
ta xác định đợc góc

tơng
ứng theo bảng sau :
Bảng I: Bảng thông số của đ ờng đặc tính lý thuyết của các góc quay cầu
dẫn h ớng .

( )
0
0 5 10 15 20 25 30 35 40
L
B
A
O
C
1

1
1
D
B
o
20
Đồ án môn học Hệ thống lái

( )
0
0 4.83
1
9.35 13.597 17.613 21.437 25.104 28.648 32.1
Từ bảng giá trị thu đợc ta xây dựng đợc quan hệ :

)(

f=


j

j
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40
0
4
8
12
16
20

24
28
32
36
40
trace 1

Hình vẽ 2.3 - Đờng đặc tính lý thuyết .
c) Xây dựng đờng đặc tính thực tế.
Nhiệm vụ cơ bản khi thiết kế hình thang lái Đantô là xác định đúng góc
nghiêng của các đòn bên

khi xe chạy thẳng :
Hình vẽ 2.4 - Sơ đồ động học hình thang lái khi xe chạy thẳng.
Cần xác định góc

và độ dài mỗi đòn bên m và đòn ngang n.
B
0
m
m
n

21
Đồ án môn học Hệ thống lái
Quan hệ thực tế giữa các góc quay



phụ thuộc vào góc

và độ dài
m của đòn bên .
Khi xe chạy thẳng:
Từ sơ đồ dẫn động lái trên hình ta có thể tính đợc mối quan hệ giữa các
thông số theo biểu thức sau:
m2
nB
sin

=

m thờng lấy theo kinh nghiệm :
m=
( )
Bo16,014,0 ữ
Chọn sơ bộ theo kinh nghiệm cho độ dài đòn bên :
m= 0,15.Bo=255 (mm)
Chọn sơ bộ góc

ban đầu theo công thức của .
L
Bo
Cotg
.7,0.2
)90(
0
=

(2.8)

Từ đó ta tính đợc

Theo công thức kinh nghiệm
L
B
Cotg
.7,0.2
)90(
0
0
=

(2.9)
Thay số:
287,0
4225.7,0.2
1700
)90(
0
==

Cotg
Ta tính đợc
(3516
00
<

theo tiêu chuẩn thiết kế).
Cho

các giá trị xung quanh giá trị sơ bộ (

=16
0
) và công thức (2.10)
để tìm quan hệ thực tế của

và

.
Cho lần lợt

=14
0
,15
0
,16
0
,17
0
,18
0
sẽ tìm đợc mối quan hệ thực tế giữa

và

theo công thức sau :
[ ]
2
22

2
)sin(.)(cos.
sin.2sin.2)sin(.
arcsin
)sin(.
)cos(.





+++
++

+
+
+=
mBom
BomBom
mBo
m
arctg
(2.10)
Bảng II.Bảng thông số của đờng đặc tính thực tế cho cầu dẫn hớng.
1

=14
0

(

0
)
0 5 10 15 20 25 30 35

0
(
0
)
0 4.831 9.350 13.597 17.613 21.437 25.104 28.648

1
(
0
)
0 4.885 9.545 13.98
2
18.19 22.153 25.851 29.257

1
(
0
)
0 0.054 0.196 0.385 0.576 0.716 0.748 0.61
22
Đồ án môn học Hệ thống lái
2

=15
0

2
(
0
)
0 4.876 9.51 13.90
6
18.05
6
21.948 25.56 28.866

2
(
0
)
0 0.045 0.161 0.309 0.443 0.511 0.457 0.218
3

=16
0

3
(
0
)
0 4.867 9.475 13.82
9
17.922 21.74
3
25.269 28.475

3
(
0
)
0 0.036 0.125 0.232 0.309 0.306 0.166 -0.172
4

=17
0

4
(
0
)
0 4.857 9.439 13.75
1
17.78
7
21.53
6
24.978 28.085

4
(
0
)
0 0.027 0.089 0.153 0.174 0.1 -0.126 -0.563
5

=18

0

5
(
0
)
0 4.848 9.403 13.67
2
17.65
1
21.329 24.68
6
27.695

5
(
0
)
0 0.017 0.053 0.075 0.038 -0.108 -0.418 -0.952

Trong đó
ii 1101

=
Từ bảng giá trị thu đợc ta xây dựng đồ thị quan hệ

và

thực tế trên
cùng đồ thị quan hệ

và

theo lý thuyết.
Theo bảng giá trị trên ta chọn góc

sao cho sự sai lệch so với đờng lý
thuyết


nhỏ nhất và nhỏ hơn 1
0
, ta chọn đợc

=15
0
, ứng với góc quay
vòng lớn nhất của bánh xe dẫn hớng là
0
max
35=

và
0
max
866,28=

Độ dài thanh kéo ngang n=
)(1568sin 20 mmmB =

3.2.Xác định góc quay vòng lớn nhất của vô lăng.


max
=

max
.i
Trong đó :



max
:gọi là vòng quay vành lái lớn nhất tính từ vị trí đi thẳng.


max
:góc quay vòng lớn nhất của bánh xe dẫn hớng.
i : gọi là tỷ số truyền hệ thống lái (i =24).



max
từ
75,10,1 ữ
vòng đối với xe du lịch.
từ
5,20,2 ữ
vòng đối với xe tải lớn .
Thay những thông số tính đợc vào công thức trên ta tìm đợc góc quay vô lăng

lớn nhất :
13,277035.22'
00
max
==

(vòng) thoả mãn tiêu chuẩn thiết kế.
3.3.Xác định mô men tác động lớn nhất ở vành tay lái.
P
vlmax
=
Ri
M
l
c


Chọn R=275 mm, =0.9
P
vlmax
=57,81 KG
23
Đồ án môn học Hệ thống lái
Mà lực ở vành tay lái tối đa là 45 KG nên ta phải trợ lực thuỷ lực
4. Tính toán các thông số hình học của cơ cấu lái.
4.1.Tính lực cản quy về đầu đòn quay đứng.
Tính lực cản quay vòng P
D
của bánh xe cầu dẫn hớng quy về đầu đòn quay
đứng đợc tính theo cách sau :

n
c
D
l
M
P =
(2.12)
Trong đó :
P
D
: Là lực cản quy dẫn của cầu dẫn hớng về đầu đòn quay đứng.
M
c
: Mômen cản quay vòng các bánh xe cầu dẫn hớng.
l
n
: Là kích thớc đòn ngang. Ln=330 mm
.Thay các giá trị đã tính đợc ở phần trên vào công thức ta tính đợc :

)(104510.
330
98.344
3
KGP
D
==
.
Mômen quay trục răng rẻ quạt chính là mômen quay của trục đòn quay đứng.
Mômen quay trục đòn quay đứng:
M

d
=P
D
.l
d
M
d
=1045.0,290=303,168(KG.m)
Gọi d
rq
,d
tv
lần lợt là đờng kính vòng chia bánh răng rẻ quạt và trục vít vô
tận.
Lực vòng tác dụng lên bánh răng rẻ quạt :
rq
d
v
d
M
F
.2
=
(2.13)
Lực dọc trục tác dụng lên trục vít vô tận bằng lực vòng trên bánh răng rẻ
quạt:
rq
d
va
d

M
FF
.2
==
(2.14)
Mômen vành tay lái :
).(15,79
24.8,0
303,17

.
mKG
i
M
i
lP
M
t
d
t
dD
l
====


Trong đó :
t

- hiệu suất thuận của cơ cấu lái (chọn theo kinh nghiệm thiết kế
t

=0,8).
24
Đồ án môn học Hệ thống lái
Lực ngời lái tác dụng lên vành tay lái là:
)(42,57
275
1000.79,15
KG
R
M
P
l
l
l
===
Mômen quay vành lái chính là mômen quay trục vít, do vậy lực vòng tác dụng
lên trục vít là:
tv
l
v
d
M
F
.2
1
=
(2.16)
Góc vít đợc tính theo công thức sau :
a

v
F
F
tg
1
=

(2.17)
Gọi t là bớc vít của trục vít ,ta có :
tv
d
t
tg
.


=
(2.18)
4.2.Tính trục vít- êcu bi ( theo [6]).
+ Chọn vật liệu chế tạo trục vít là thép 35, vật liệu chế tạo êcu bi là gang
CH18-36.
+ Xác định đờng kính trung bình của trục vít theo điều kiện bền mòn, và
theo công thức sau :
[ ]
p
xhd
F
p
tv
a

=


(2.19)
Trong đó :
8,0==
t
h
h

(chọn ren vít có dạng hình thang).
t
H
x
d
H
tv
H
=
== 2

Với: h, H- lần lợt là chiều cao làm việc của ren vít và chiều cao của
êcu.
[p] -áp suất trên bề mặt ren vít. Đối với vật liều chế tạo trên ta
chọn [p] =6MPa
x- Số vòng ren của êcu
Từ công thức (1.27) ta có đợc:
25