Tính toán thiết kế hệ thống lái xe du lịch 5 chỗ ngồi

Tính toán thiết kế hệ thống lái xe du lịch 5 chỗ ngồi
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU .............................................................................................................1
1. MỤC ĐÍCH, Ý NGHĨA ĐỀ TÀI ..............................................................................2
2. TỔNG QUAN ..........................................................................................................2
2.1 Tổng Quan Về Hệ Thống Lái Trên ÔTô..............................................................2
2.1.1 Công dụng, yêu cầu, phân loại ......................................................................2
2.1.2 Kết cấu hệ thống lái ......................................................................................5
2.1.3 Cường hoá lái. ............................................................................................ 16
2.1.4 Tính ổn định của bánh xe dẫn hướng .......................................................... 21
2.2. Các Hệ Thống Trên Xe Tham Khảo .................................................................25
2.2.1 Sơ đồ tổng thể............................................................................................. 25
2.2.2 Động cơ......................................................................................................26
2.2.3 Hệ thống phanh .......................................................................................... 28
2.2.4 Hệ thống lái ................................................................................................ 29
2.2.5 Hệ thống treo.............................................................................................. 31
2.2.6 Hệ thống truyền lực ....................................................................................32
2.2.7 Hệ thống điều hoà không khí ......................................................................33
3.TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG LÁI............................................................. 34
3.1. Các Số Liệu Tham Khảo Ban Đầu....................................................................34
3.2. Chọn Loại, Kiểu Và Sơ Đồ Dẫn Động Lái ....................................................... 35
3.3. Xác Định Các Thông Số Cơ Bản Của Cơ Cấu Lái............................................38
3.3.1. Tỷ số truyền động học ...............................................................................38
3.3.2. Tỷ số truyền lực........................................................................................ 39
3.3.3. Hiệu suất ..................................................................................................39
3.4 Xác Định Mômen Cản Quay Vòng Của Bánh Xe Dẫn Hướng: Mcq ...................40
3.4.1. Mômen cản chuyển động M1 .....................................................................41
3.4.2. Mômen cản của các phản lực ngang ở vết tiếp xúc M2 ............................... 43
3.4.3. Mômen cản quay vòng tổng cộng: M  ......................................................45
3.4.4. Xác định lực cần thiết tác dụng lên vành tay lái .........................................45
3.5. Tính Toán Thiết Kế Động Học Hình Thang Lái ...............................................47

3.6. Tính Toán Thiết Kế Cơ Cấu Lái.......................................................................53
3.6.1 Xác định chiều dài làm việc thanh răng: .....................................................53
3.6.2 Các thông số bộ truyền cơ cấu lái ............................................................... 54
3.6.3 Xác định các thông số và tính toán trợ lực lái .............................................57
4. KẾT CẤU HỆ THỐNG LÁI TRÊN XE THIẾT KẾ ...............................................58
4.1 Sơ Đồ Hệ Thống Lái Xe Thiết Kế .....................................................................58
4.1.1 Sơ đồ hệ thống lái....................................................................................... 58
4.1.2 Nguyên lý hoạt động...................................................................................59
4.2 Kết Cấu Và Nguyên Lý Làm Việc Của Hệ Thống Lái Xe Thiết Kế...................59
4.2.1 Vành tay lái ................................................................................................ 59
4.2.2 Trục lái.......................................................................................................60
4.2.3 Cơ cấu lái bánh răng – thanh răng............................................................... 61


Tính toán thiết kế hệ thống lái xe du lịch 5 chỗ ngồi
4.2.4 Dẫn động lái ............................................................................................... 63
4.2.5 Nguyên lý làm việc của cường hoá lái xe thiết kế .......................................63
4.2.6. Bơm trợ lực lái .......................................................................................... 66
4.3 Vật liệu chế tạo .................................................................................................67
5. CÁC DẠNG HƯ HỎNG, BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC VÀ SỬA CHỮA HỆ
THỐNG LÁI XE THIẾT KẾ......................................................................................68
5.1 Các Dạng Hư Hỏng Chung Của Hệ Thống Lái..................................................68
5.1.1 Cơ cấu lái ...................................................................................................68
5.1.2 Dẫn động lái ............................................................................................... 69
5.1.3 Các biểu hiện của ô tô khi hư hỏng hệ thống lái ..........................................70
5.2 Bảo Dưỡng Kỹ Thuật Hệ Thống Lái .................................................................71
5.3 Kiểm Tra Các Bộ Phận Của Hệ Thống Lái........................................................ 71
5.4 Sửa Chữa Các Chi Tiết Trong Hệ Thống Lái.....................................................72
5.4.1 Quy trình tháo............................................................................................. 72
5.4.2 Kiểm tra cơ cấu lái, bơm trợ lực .................................................................73

5.4.3 Quy trình ráp bơm và cơ cấu lái:.................................................................74
6. KẾT LUẬN ............................................................................................................75
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 77


Tính toán thiết kế hệ thống lái xe du lịch 5 chỗ ngồi
LỜI NÓI ĐẦU
Cùng với sự của phát triển khoa học kỹ thuật và công nghệ nói chung, ngành
công nghiệp sản xuất ô tô nói riêng đã đóng một vai trò quan trọng trong việc phục vụ
phương tiện vận chuyển hàng hoá và con người, rút ngắn thời gian đi lại.
Ngày nay với sự phát triển của khoa học và công nghệ điện tử việc chế tạo ra
nhiều loại ô tô với hệ thống lái có tính năng kỹ thuật cao để đảm bảo an toàn và tính cơ
động cao của ô tô, do vậy mà chúng ngày càng được cải tiến và hoàn thiện hơn.
Trong đồ án tốt nghiệp “ Tính toán thiết kế hệ thống lái xe du lịch 5 chỗ 2,045
tấn ” sẽ giúp cho em hệ thống lại những kiến thức đã học, nâng cao tìm hiểu về các hệ
thống của xe tham khảo Ford Escape nói riêng và các hệ thống trên ô tô nói chung. Từ
đó em có thể đi sâu nghiên cứu về chuyên môn.
Trong tập đồ án tốt nghiệp này trang bị cho người sử dụng vận hành ô tô có
những kiến thức cơ bản về các hệ thống trên ô tô mà đặc biệt là hệ thống lái. Đồng thời
trong quá trình làm việc của hệ thống lái thì các chi tiết sẽ bị mài mòn dẫn đến hư
hỏng. Vì vậy trong đồ án này còn đề cập đến các dạng hư hỏng, biện pháp khắc phục
và sửa chữa các chi tiết trong hệ thống lái.
Được sự hướng dẫn rất tận tình của thầy giáo Nguyễn Việt Hải cùng với sự cố
gắng của bản thân, em đã hoàn thành nhiệm vụ của đề tài này. Vì thời gian và kiến
thức còn hạn chế nên trong tập đồ án này không thể tránh khỏi những sai sót nhất định.
Vì vậy em mong các thầy trong bộ môn đóng góp ý kiến để đồ án tốt nghiệp của em
được hoàn thiện hơn.

Em xin chân thành cám ơn !

Đà nẵng, ngày 15 tháng 06 năm 2012
Sinh viên thực hiện

Lưu Trọng
1


Tính toán thiết kế hệ thống lái xe du lịch 5 chỗ ngồi
1. MỤC ĐÍCH, Ý NGHĨA ĐỀ TÀI
Hệ thống lái là hệ thống điều khiển hướng chuyển động của ô tô khi di chuyển trên
đường, có tác động lớn đến tâm lý người điều khiển. Do đó khi thiết kế, chế tạo phải
tạo được tính linh hoạt, chính xác cho người lái bảo đảm tính an toàn cao khi xe di
chuyển.
Trong thời gian gần đây, hòa với nhịp điệu phát triển chung của đất nước, ngành
công nghiệp ô tô đã thâm nhập nhiều hơn do đó nảy sinh không ít khó khăn trong khai
thác, sử dụng vì thiếu những kiến thức về cấu tạo, sử dụng, chẩn đoán kỹ thuật…
Do vậy mà việc bảo dưỡng sửa chữa, đòi hỏi người làm công tác kỹ thuật phải nắm
vững kết cấu và nguyên lý làm việc của các bộ phận trong hệ thống lái. Đồng thời thận
trọng trong quá trình kiểm tra, sửa chữa và phục hồi các chi tiết.
Với đồ án tốt nghiệp “ Tính toán thiết kế hệ thống lái xe du lịch 5 chỗ 2,045 tấn”
sẽ đáp ứng một phần nào của mục đích đó. Nội dung của đồ án này đề cập các vấn đề
sau:
-

Tổng quan hệ thống lái trên ô tô.

-

Tính toán, thiết kế hệ thống lái.

-

Các dạng hư hỏng, biện pháp khắc phục và sửa chữa hệ thống lái

Các nội dung trên được trình bày theo các mục, nhằm mục đích thiết kế và tìm
hiểu nguyên lý làm việc chung của các chi tiết, cụm chi tiết trong hệ thống lái.
Đồ án này còn giúp em hệ thống lại những kiến thức đã học và đi sâu vào nội dung
thiết kế. Đồng thời đồ án này có thể là cơ sở hình thành các tài liệu giảng dạy, đào tạo
nghề và giúp cho bạn đọc hiểu biết thêm về hệ thống lái của ôtô, đặc biệt trên xe tham
khảo Ford Escape V6 3.0L.
2. TỔNG QUAN
2.1 Tổng Quan Về Hệ Thống Lái Trên Ô Tô
2.1.1 Công dụng, yêu cầu, phân loại
2.1.1.1 Công dụng:
- Hệ thống lái là tập hợp các cơ cấu dùng để:
+ Giữ cho ôtô máy kéo chuyển động theo một hướng xác định nào đấy.
2


Tính toán thiết kế hệ thống lái xe du lịch 5 chỗ ngồi
+ Thay đổi hướng chuyển động khi cần thiết theo yêu cầu cơ động của xe.
- Hệ thống lái nói chung bao gồm các bộ phận chính sau:
+ Vành tay lái, trục lái và cơ cấu lái : Dùng để tăng và truyền mônmen do
người lái tác dụng lên vành tay lái đến dẫn động lái.
+ Dẫn động lái : Dùng để truyền chuyển động từ cơ cấu lái đến các bánh xe và
để đảm bảo động học quay vòng cần thiết của chúng.
+ Cường hoá lái : Thường sử dụng trên các xe tải trọng lớn và vừa dùng để
giảm nhẹ lực quay vòng cho người lái bằng nguồn năng lượng bên ngoài. Trên
các xe cỡ nhỏ có thể có hoặc không có.
2.1.1.2 Yêu cầu:

Hệ thống lái phải đảm bảo những yêu cầu chính sau:
- Đảm bảo chuyển động thẳng ổn định:
+ Hành trình tự do của vành tay lái tức là khe hở trong hệ thống lái khi vành
tay lái ở vị trí trung gian (giữa) tương ứng với chuyển động thẳng phải nhỏ (Không lớn
hơn 15O khi có cường hoá và không lớn hơn 5O khi không có cường hoá);
+ Các bánh xe dẫn hướng phải có tính ổn định tốt;
+ Không có hiện tượng tự dao động các bánh xe dẫn hướng ở mọi điều kiện
làm việc và mọi chế độ chuyển động.
- Đảm bảo tính cơ động cao: tức là xe có thể quay vòng thật ngoặt, trong một
thời gian ngắn trên một diện tích bé.
- Đảm bảo động học quay vòng đúng: để các bánh xe không bị trượt lê để hạn
chế gây mòn lốp, tiêu hao công suất vô ích và giảm tính ổn định của xe.
- Giảm được các va đập từ bánh xe dẫn hướng truyền lên vành tay lái khi chạy
trên đường xấu hoặc gặp chướng ngại vật.
- Điều khiển nhẹ nhàng, thuận tiện: Lực điều khiển lớn nhất cần tác dụng lên
vành tay lái (Plmax) được quy định theo các tiêu chuẩn quốc gia hay tiêu chuẩn ngành:
+ Đối với xe du lịch và tải trọng nhỏ: Plmax không được lớn hơn 150 ÷ 200 [N].
+ Đối với xe tải và khách không được lớn hơn 500 [N].
- Đảm bảo sự tỷ lệ giữa lực tác dụng lên vành tay lái và mômen quay các bánh
3


Tính toán thiết kế hệ thống lái xe du lịch 5 chỗ ngồi
xe dẫn hướng (để đảm bảo cảm giác đường) cũng như sự tương ứng động học giữa góc
quay của vành tay lái và của các bánh xe dẫn hướng.
- Các bánh xe dẫn hướng phải tự trả về vị trí hướng thẳng sau khi xe quay vòng.
- Ngoài ra đối với ô tô con hiện đại theo tiêu chuẩn Châu Âu hệ thống lái không
được có độ rơ lớn; với xe có vận tốc > 100 km/h, độ rơ vành tay lái cho phép không
vượt quá 180; với xe có vận tốc (25 ÷ 100) km/h, độ rơ vành lái không vượt quá 270.
- Với hệ thống lái không có trợ lực, số vòng quay toàn bộ của vành tay lái không

được vượt quá 5 vòng, tương ứng với góc quay bánh xe dẫn hướng phía trong về cả hai
phía kể từ vị trí trung gian là 350. Ở các vị trí biên cần phải có vấu tỳ hạn chế quay của
bánh xe.
- Với hệ thống lái có trợ lực, khi hệ thống trợ lực có sự cố hư hỏng thì hệ thống
lái vẫn có thể điều khiển được xe nhưng lái hơi nặng.
- Hệ thống lái phải bố trí sao cho thuận tiện trong việc bảo dưỡng và sửa chữa.
2.1.1.3 Phân loại:
- Theo cách bố trí vành tay lái chia ra các loại :
+ Vành tay lái bố trí bên trái (theo luật đi đường bên phải) như các nước
XHCN trước đây Pháp, Mỹ…
+ Vành tay lái bố trí bên phải (theo luật đi đường bên trái) như các nước Anh,
Nhật, Thụy Điển.
- Theo kết cấu cơ cấu lái chia ra các loại :
+ Trục vít – cung răng.
+ Trục vít – con lăn.
+ Trục vít – chốt quay.
+ Bánh răng – thanh răng
+ Thanh răng liên hợp ( gồm Trục vít – Êcu – Bi – Thanh răng – Cung răng )
- Theo số lượng bánh xe chuyển hướng:
+ Các bánh xe chuyển hướng nằm ở cầu trước.
+ Các bánh xe chuyển hướng nằm ở cầu sau.
+ Các bánh xe chuyển hướng nằm ở tất cả các cầu.
4


Tính toán thiết kế hệ thống lái xe du lịch 5 chỗ ngồi
- Theo kết cấu và nguyên lý làm việc của bộ cường hóa lái:
+ Cường hóa thủy lực
+ Cường hóa khí ( khí nén hoặc chân không )
+ Cường hóa điện

+ Cường hóa cơ khí
2.1.2 Kết cấu hệ thống lái
2.1.2.1 Các sơ đồ hệ thống lái:
a. Sơ đồ hệ thống lái với hệ thống treo phụ thuộc:

3

Hình 2.1. Sơ đồ hệ thống lái có cường hóa với hệ thống treo phụ thuộc
1- Vành tay lái; 2- Trục lái; 3- Cơ cấu lái; 4-Trục ra của cơ cấu lái; 5- Đòn quay đứng;
6- Đòn kéo dọc; 7- Đòn quay ngang; 8- Cam quay; 9- Cạnh bên của hình thang lái;
10- Đòn kéo ngang; 11- Bánh xe; 12- Bộ phận phân phối ; 13- Xi lanh lực.
- Ưu điểm:
+ Cấu tạo đơn giản, ít chi tiết vì thế dễ bảo dưỡng.
+ Có độ cứng vững cao nên có thể chịu được tải nặng.
5


Tính toán thiết kế hệ thống lái xe du lịch 5 chỗ ngồi
+ Có độ cứng vững cao nên khi xe đi vào đường vòng, thân xe ít bị nghiêng.
+ Định vị của các bánh xe ít thay đổi do chuyển động lên xuống của chúng, nhờ thế
mà các bánh xe ít bị mòn.
+ Giá thành rẻ nên được sử dụng phổ biến trên tất cả ô tô (có tốc độ không lớn lắm).
- Nhược điểm:
+ Do có khối lượng không được treo lớn nên tính êm dịu kém.
+ Do dịch chuyển của các bánh xe trên một cầu phụ thuộc lẫn nhau nên dễ xuất hiện
dao động và rung động.
b. Sơ đồ hệ thống lái với hệ thống treo độc lập:

Hình 2.2. Sơ đồ hệ thống lái với hệ thống treo độc lập
1- Vành tay lái; 2- Trục lái; 3- Cơ cấu lái; 4- Trục ra của cơ cấu lái; 5- Đòn quay đứng;

6- Bộ phận hướng của hệ thống treo; 7- Đòn kéo bên; 8- Đòn lắc ; 9- Bánh xe.
- Ưu điểm :
+ Cho phép tăng độ võng tĩnh và động của hệ thống treo, nhờ đó tăng được độ êm
dịu chuyển động.
+ Giảm được hiện tượng dao động các bánh xe dẫn hướng do hiệu ứng mômen con
quay.
6


Tính toán thiết kế hệ thống lái xe du lịch 5 chỗ ngồi
+ Tăng khả năng bám đường, do đó tăng được tính điều khiển và ổn định của xe.
- Nhược điểm :
+ Kết cấu phức tạp và giá thành cao.
+ Chỉ sử dụng trên các ô tô có tính cơ động cao.
2.1.2.2 Các chi tiết và bộ phận chính hệ thống lái:
a. Vành tay lái:
Vành tay lái (Volant) là bộ phận đặt trên buồng lái có nhiệm vụ tiếp nhận mômen
quay của người lái và truyền cho trục lái.
Bán kính vành tay lái được chọn phụ thuộc vào loại xe và cách bố trí chỗ ngồi của
người lái, dao động từ 190 mm ( đối với xe du lịch cỡ nhỏ ) đến 275 mm ( đối với xe
tải và khách cỡ lớn ).
b. Trục lái :
Trục lái bao gồm trục lái chính làm nhiệm vụ truyền mô men quay từ vành tay lái
đến cơ cấu lái và ống đỡ trục lái để cố định trục lái vào thân xe.
- Trên trục lái còn có các cơ cấu sau:
+ Cơ cấu hấp thụ va đập.
+ Cơ cấu khoá tay lái.
+ Cơ cấu trượt, nghiêng tay lái điều khiển điện.
c. Cơ cấu lái :
- Cơ cấu lái thực chất là một hộp giảm tốc, có nhiệm vụ biến chuyển động quay tròn

của vành tay lái thành chuyển động góc lắc của đòn quay đứng.
- Cơ cấu lái sử dụng trên các xe ô tô hiện nay rất đa dạng tuy nhiên để đảm bảo thực
hiện tốt được chức năng trên thì chúng phải đảm bảo được các yêu cầu sau:
+ Tỉ số truyền của cơ cấu lái phải đảm bảo phù hợp với từng loại ô tô.
+ Có kết cấu đơn giản, tuổi thọ cao và giá thành thấp, dễ dàng tháo lắp và điều chỉnh.
+ Hiệu suất truyền động thuận và nghịch sai lệch không lớn.
+ Độ rơ của cơ cấu lái phải nhỏ.
- Các thông số đánh giá cơ bản của cơ cấu lái:

7


Tính toán thiết kế hệ thống lái xe du lịch 5 chỗ ngồi
+ Tỷ số truyền động học:
i =
Trong đó :


d
= 
d


: Các góc quay tương ứng của trục vào (vô lăng)
: trục ra (đòn quay đứng)

 ,   : Các vận tốc góc tương ứng
+ Tỷ số truyền lực:
iF =

M
Mr
= dq
M
M vl

Trong đó: Mr ( Mdq ) : Là mô men trên trục ra ( hay trên đòn quay đứng )
Mv ( Mvl ): Là mô men trên trục vào ( hay trên vành tay lái )
+ Hiệu suất :
Hiệu suất của cơ cấu lái có thể xác định theo công thức tổng quát sau :
t =
Ở đây :

Nr
M .
i
= r r = F
Nv
i
M v . v

Mv; Mr : Các mô men đầu vào và ra của cơ cấu lái
 v; r : Các tốc độ góc tương ứng ở đầu vào và ra của cơ cấu lái

Tuỳ theo chiều truyền lực từ trên trục lái xuống hay từ dưới bánh xe dẫn hướng
lên nên người ta phân biệt như sau:
Hiệu suất thuận là hiệu suất tính theo chiều truyền lực từ trên trục lái xuống bánh
xe dẫn hướng. Do đó cần phải lớn để giảm tổn thất và giảm nhẹ lực điều khiển.
Hiệu suất nghịch là hiệu suất tính theo chiều truyền lực từ dưới đòn quay đứng
lên vành tay lái. Do đó cần nhỏ để giảm các va đập truyền từ hệ thống chuyển động lên

vành tay lái.
- Các loại cơ cấu lái thông dụng:
+ Loại trục vít – cung răng:
Loại này có ưu điểm là kết cấu đơn giản, làm việc bền vững. Tuy vậy có nhược
điểm là hiệu suất thấp th= 0,5 ÷ 0,7; ng= 0,4 ÷ 0,55, điều chỉnh khe hở ăn khớp phức
tạp nếu bố trí cung răng ở mặt phẳng đi qua trục của trục vít.
8


Tính toán thiết kế hệ thống lái xe du lịch 5 chỗ ngồi

2
1

A

A-A

3

A

4

Hình 2.3. Cơ cấu lái trục vít hình trụ - cung răng đặt giữa
1- Ổ bi; 2- Trục vít; 3- Cung răng; 4- Vỏ.

1

2

3

A

4
A-A

A
Hình 2.4. Cơ cấu lái loại trục vít hình trụ - cung răng đặt bên
1- Ổ bi; 2 - Trục vít; 3- Cung răng ; 4- Vỏ.
9


Tính toán thiết kế hệ thống lái xe du lịch 5 chỗ ngồi
Cung răng thường đặt ở giữa mặt phẳng đi qua trục của trục vít (hình 2.3) hoặc
đặt ở phía bên cạnh (hình 2.4). Cung răng đặt bên có ưu điểm là đường tiếp xúc giữa
răng cung răng và răng trục vít khi trục vít quay dịch chuyển trên toàn bộ chiều dài
răng của cung răng nên ứng suất tiếp xúc và mức độ mài mòn giảm, do đó tuổi thọ và
khả năng chịu tải tăng. Cơ cấu lái loại này thích hợp cho các xe tải cỡ lớn.
Trục vít có dạng trụ tròn hay glôbôít (lõm). Khi trục vít có dạng glôbôít thì số
răng ăn khớp tăng nên giảm được ứng suất tiếp xúc và mài mòn.
+ Loại trục vít – con lăn:
Cơ cấu lái loại này được sử dụng rộng rãi trên các loại ô tô do có ưu điểm :
-

Kết cấu nhỏ gọn.

-

Hiệu suất cao do thay thế ma sát trượt bằng ma sát lăn.

-

Hiệu suất thuận th = 0,77 ÷ 0,82 và hiệu suất nghịch ng = 0,6.

-

Điều chỉnh khe hở ăn khớp đơn giản và có thể thực hiện nhiều lần.
4

A-A

3
2

A

A
5

8

1

6
7

R0

R

01
x

0

2

Hình 2.5. Cơ cấu lái trục vít – con lăn
1- Trục đòn quay đứng; 2,6- Đệm điều chỉnh; 3- Nắp trên; 4- Vít điều chỉnh;
5- Trục vít; 7- Con lăn; 8- Trục con lăn.
10


Tính toán thiết kế hệ thống lái xe du lịch 5 chỗ ngồi
Để có thể điều chỉnh khe hở ăn khớp, đường trục của con lăn được bố trí lệch với
đường trục của trục vít một khoảng (5 ÷ 7) mm. Khi dịch chuyển con lăn dọc theo trục
quay của đòn quay đứng thì khoảng cách trục giữa con lăn và trục vít sẽ thay đổi, do đó
khe hở ăn khớp cũng sẽ thay đổi.
Sự thay đổi khe hở ăn khớp từ vị trí giữa đến vị trí biên thực hiện bằng cách dịch
chuyển trục quay O2 của đòn quay đứng ra khỏi tâm mặt trụ chia của trục vít O1 một
lượng x =( 2,5 ÷ 5 ) mm.
+ Loại trục vít – chốt quay:

2

1

3

Hình 2.6. Cơ cấu lái trục vít - chốt quay
1- chốt quay; 2- Trục vít; 3- Đòn quay.
* Ưu điểm :
- Có thể thiết kế với tỷ số truyền thay đổi theo qui luật bất kỳ nhờ cách cắt trục vít
khác nhau. Vì thế cơ cấu lái loại này dùng nhiều ở hệ thống lái không có cường hoá và
chủ yếu trên các ô tô tải và khách.
- Hiệu suất thuận và nghịch của cơ cấu lái loại này vào khoảng 0,7.
* Nhược điểm :
- Chế tạo phức tạp, tuổi thọ không cao nên hiện nay ít sử dụng.

11


Tính toán thiết kế hệ thống lái xe du lịch 5 chỗ ngồi
+ Loại bánh răng – thanh răng:
Bánh răng có thể có răng thẳng hay nghiêng. Thanh răng trượt trong các ống dẫn
hướng. Để đảm bảo ăn khớp không khe hở, thanh răng được ép đến bánh răng bằng lò
xo.
4

5

6
7

3

2

1

Hình 2.7. Cơ cấu lái bánh răng – thanh răng
1- Lỗ ren; 2- Bánh răng; 3- Thanh răng; 4- Bulông hãm; 5- Đai ốc điều chỉnh khe hở
bánh răng thanh răng; 6- Lò xo; 7- Dẫn hướng thanh răng
* Ưu điểm :
- Cơ cấu lái loại bánh răng – thanh răng có i nhỏ nên rất nhạy. Vì thế nó được
sử dụng rộng rãi trên các xe đua và thể thao cũng như xe du lịch cỡ nhỏ.
- Hiệu suất cao, kết cấu nhỏ gọn, chế tạo đơn giản, giá thành rẻ.
* Nhược điểm :
- Lực điều khiển lớn
- Không sử dụng được với hệ thống treo trước loại phụ thuộc
- Nhạy cảm với va đập do ma sát nhỏ ( hiệu suất nghịch thấp )
+ Loại liên hợp:
Thường dùng nhất loại trục vít – êcu – bi – thanh răng – cung răng.

12


Tính toán thiết kế hệ thống lái xe du lịch 5 chỗ ngồi

Hình 2.8. Cơ cấu lái liên hợp trục vít – ê cu bi – thanh răng – cung răng
1- Trục cung răng; 2- Vít điều chỉnh; 3- Đệm tỳ; 4- Các ống dẫn hướng bi;
5- Êcu; 6- Trục vít.
13


Tính toán thiết kế hệ thống lái xe du lịch 5 chỗ ngồi
Êcu 5 được lắp trên trục vít 6 qua các viên bi ( khoảng 90 ÷ 120 viên bi, đường kính
db = 7 ÷ 9 mm ) nằm trên các rãnh ren của trục vít. Nhờ đó mà ma sát trượt được thay
bằng ma sát lăn.

Phần dưới của êcu cắt răng tạo thành thanh răng, ăn khớp với cung răng lắp trên
trục 1.
Tỷ số truyền được xác định theo công thức :
Ở đây :

i =

2R2
t

t – Bước trục vít;
R2 – Bán kính vòng chia cung răng

* Ưu điểm :
- Hiệu suất cao th = 0,7 ÷ 0,8; ng = 0,85. Do ng lớn hơn nên khi lái xe trên
đường xấu người lái sẽ rất vất vả nhưng bù lại xe có tính ổn định về hướng cao khi
chuyển động thẳng. Hơn nữa, khi sử dụng với cường hoá thì nhược điểm ng lớn không
quan trọng, do cường hoá có tác dụng giảm bớt va đập truyền từ bánh xe lên vô lăng.
- Có độ bền và tuổi thọ cao, vì vậy thường được sử dụng trên các xe cỡ lớn.
* Nhược điểm :
Kết cấu phức tạp, giá thành đắt.
d. Dẫn động lái:
Bao gồm tất cả các chi tiết làm nhiệm vụ truyền lực từ cơ cấu lái đến các bánh xe
dẫn hướng và đảm bảo cho các bánh xe có động học quay vòng đúng.
- Các thông số đánh giá cơ bản:
+ Tỷ số tuyền động học:
Ở đây :

idd =

2d
d tr  d ph

tr; ph - Các góc quay tương ứng của cam quay trái và phải
 - Góc quay của đòn quay đứng.

+ Tỷ số truyền lực :
Ở đây :

iddF =

M
M dq

M - Mômen tổng tác dụng lên cam quay của các bánh xe dẫn hướng.
Mdq - Mômen trên đòn quay đứng.
14


Tính toán thiết kế hệ thống lái xe du lịch 5 chỗ ngồi
+ Hiệu suất :

dd =

iddF
idd

Hiệu suất của hệ thống lái  = cc . dd = 0,7 ÷ 0,8
Ở đây :

cc - Hiệu suất của cơ cấu lái
dd - Hiệu suất dẫn động của cơ cấu lái

- Hình thang lái:
Hình thang lái là bộ phận quan trọng nhất của dẫn động lái. Hình thang lái ngoài
nhiệm vụ truyền lực còn có nhiệm vụ bảo đảm động học quay vòng đúng cho các bánh
xe dẫn hướng, mục đích làm cho các bánh xe khỏi bị trượt lê khi quay vòng làm giảm
sự mài mòn lốp, giảm tổn hao công suất và tăng tính ổn định của xe.
Hình thang lái có nhiều dạng kết cấu khác nhau. Đòn ngang của nó có thể cắt rời
hay liền tuỳ theo hệ thống treo là độc lập hay phụ thuộc. Nhưng dù trường hợp nào thì
kết cấu của hình thang lái cũng phải phù hợp với động học bộ phận hướng của hệ thống
treo, để dao động thẳng đứng của các bánh xe không ảnh hưởng đến động học của dẫn
động lái, gây ra dao động của bánh xe dẫn hướng quanh trục quay.

Hình 2.9. Các sơ đồ hình thang lái
15


Tính toán thiết kế hệ thống lái xe du lịch 5 chỗ ngồi
2.1.3 Cường hoá lái.
2.1.3.1 Công dụng, phân loại, yêu cầu:
a. Công dụng:
Trên các xe ô tô tải trọng lớn, xe du lịch cao cấp và các xe khách hiện đại thường
có trang bị cường hoá lái nhằm:
+ Giảm nhẹ lao động cho người lái.
+ Tăng an toàn cho chuyển động.
Khi xe đang chạy một tốc độ lớn mà một bên lốp bị thủng, cường hoá lái đảm bảo
cho người lái đủ sức điều khiển, giữ được ô tô trên đường mà không bị lao sang một
bên.
Sử dụng cường hoá lái có nhược điểm là lốp mòn nhanh hơn (do lạm dụng cường

hoá để quay vòng tại chỗ ), kết cấu hệ thống lái phức tạp hơn và tăng khối lượng công
việc bảo dưỡng.
b. Phân loại:
- Theo nguồn năng lượng:
+ Cường hoá thuỷ lực
+ Cường hoá khí (khí nén hoặc chân không)
+ Cường hoá điện
+ Cường hoá cơ khí
Cường hoá thuỷ lực được dùng phổ biến nhất vì có kết cấu nhỏ gọn và làm việc khá
tin cậy.
- Theo sơ đồ bố trí phân ra làm 4 dạng:
+ Cơ cấu lái, bộ phận phân phối, xylanh lực được bố trí chung thành một cụm.
+ Cơ cấu lái bố trí riêng, bộ phận phân phối và xi lanh lực bố trí chung.
+ Cơ cấu lái, bộ phận phân phối, xy lanh lực bố trí riêng.
+ Xy lanh lực bố trí riêng, bộ phận phân phối và cơ cấu lái bố trí chung.
c. Yêu cầu.
+ Khi cường hoá lái hỏng thì hệ thống lái vẫn làm việc bình thường cho dù lái
nặng hơn.
16


Tính toán thiết kế hệ thống lái xe du lịch 5 chỗ ngồi
+ Thời gian chậm tác dụng nhỏ.
+ Đảm bảo sự tỷ lệ giữa góc quay vô lăng và góc quay bánh xe dẫn hướng.
+ Khi sức cản quay vòng tăng lên thì lực yêu cầu tác dụng lên vô lăng cũng tăng
theo, tuy vậy không được vượt quá 100  150 N.
+ Không xảy ra hiện tượng tự cường hoá khi xe đi qua chổ lồi lỏm, rung xóc.
Phải có tác dụng như thế nào để khi một bánh xe dẫn hướng bị hỏng, bị nổ thì
người lái có thể vừa phanh ngặt vừa giữ được hướng chuyển động cần thiết của xe.
2.1.3.2. Các thông số đánh giá:

- Hệ số hiệu quả: bằng tỷ số giữa các lực cần tác dụng lên vành tay lái khi không
có và khi có cường hóa.
Khq =
Ở đây :

pl
pl

pc pl  pch

Pl - Lực tác dụng lên vành tay lái khi không có cường hoá.
Pc - Lực tác dụng lên vành tay lái khi đã có cường hoá trong những điều

kiện quay vòng như trên.
Pch - Lực do bộ cường hoá đảm nhận quy về vành tay lái.
Đối với các kết cấu hiện nay Khq = 1 ÷ 15
- Chỉ số phản lực của cường hoá lên vành tay lái:
=
Ở đây:

dPc
dM cq

dPc - số gia lực tác dụng lên vành tay lái khi có cường hóa;
dMcq - số gia mômen cản quay vòng của các bánh xe dẫn hướng.

Trong bộ trợ lực hiện nay  = 0,02 ÷ 0,05 [N/Nm].
- Độ nhạy:
Độ nhạy của cường hoá lái đặc trưng bằng lực tác dụng lên vành tay lái Pl0 và góc
quay của vành tay lái θ0 cần thiết để đưa cường hóa vào làm việc.

Đối với các kết cấu hiện nay Pl0 = 20 ÷ 50 [N] ; θ0 = 100 ÷ 150.
2.1.3.3. Thành phần cấu tạo và các sơ đồ bố trí.
Bất kỳ cường hoá lái nào cũng có ba bộ phận sau:
17


Tính toán thiết kế hệ thống lái xe du lịch 5 chỗ ngồi
- Nguồn lăng lượng: cung cấp năng lượng cho cường hóa, có thể là : bơm + ắc
quy thủy lực, máy nén + bình chứa hay ắc quy + máy phát.
- Bộ phận phân phối : dùng để đều chỉnh năng lượng cung cấp cho bộ phận chấp
hành và đảm bảo sự tỷ lệ giữa góc quay của vành tay lái và các bánh dẫn hướng. Nó
thực chất là các van thủy lực, khí nén hay các công tắc và mạch điện.
- Bộ phận chấp hành: dùng để tạo và truyền lực trợ lực lên cơ cấu lái và dẫn
động lái.
* Các phương án bố trí các bộ phận của cường hóa trong hệ thống lái:
+ Bộ phận phân phối, xilanh lực, cơ cấu lái vào chung một cụm:

3
2
1

Hình 2.10. Cơ cấu lái, bộ phận phân phối và xi lanh lực bố trí chung thành một cụm
1- Bộ phận phân phối; 2- Xilanh lực; 3- Cơ cấu lái.

18


Tính toán thiết kế hệ thống lái xe du lịch 5 chỗ ngồi
+ Cơ cấu lái và bộ phận phân phối bố trí chung, xilanh lực bố trí riêng:

3
2
1

Hình 2.11. Cơ cấu lái và bộ phận phân phối bố trí chung, xilanh bố trí lực riêng
+ Bộ phận phân phối và xilanh lực bố trí chung, cơ cấu lái bố trí riêng:

3

1

2

Hình 2.12. Bộ phận phân phối và xilanh lực bố trí chung, cơ cấu lái bố trí riêng
19


Tính toán thiết kế hệ thống lái xe du lịch 5 chỗ ngồi
+ Xilanh lực, bộ phận phân phối và cơ cấu lái bố trí riêng biệt với nhau:

1

3
2

Hình 2.13. Sơ đồ bố trí xilanh lực, cơ cấu phân phối và cơ cấu lái bố trí riêng biệt
1- Bộ phận phân phối ; 2- Xilanh lực; 3- Cơ cấu lái.
* Ưu, nhược điểm của từng sơ đồ:
- Theo các sơ đồ hình 2.11; 2.12; 2.13.
+ Ưu điểm: dễ bố trí lắp đặt, tăng tính thống nhất của sản phẩm, giảm tải tác

dụng lên các chi tiết hệ thống lái.
+ Nhược điểm: kết cấu kém cứng vững hơn, chiều dài các đường ống lớn, dẫn
đến tăng khả năng tự dao động các bánh xe dẫn hướng.
- Theo sơ đồ hình 2.10.
+ Ưu điểm: Kết cấu gọn, vững chắc hơn nên giảm hiện tượng tự dao động của
các bánh xe dẫn hướng, chiều dài các đường ống dẫn ngắn nhất nên độ nhạy cao.
+ Nhược điểm: cơ cấu lái phức tạp, tất cả các chi tiết của dẫn động lái đều chịu
tải lớn, là tổng lực do người lái và cơ cấu chấp hành tác dụng. Vì vậy trên các xe tải
trọng lớn người ta không dùng sơ đồ bố trí này.
20


Tính toán thiết kế hệ thống lái xe du lịch 5 chỗ ngồi
2.1.4 Tính ổn định của bánh xe dẫn hướng
Tính ổn định của bánh xe dẫn hướng được hiểu là khả năng của chúng giữ được
vị trí ban đầu ứng với khi xe chuyển động thẳng và tự quay về vị trí này sau khi bị lệch.
Nhờ tính ổn định mà khả năng dao động của các bánh xe dẫn hướng và tải trọng tác
dụng lên hệ thống lái được giảm đáng kể.
Tính ổn định của bánh xe dẫn hướng được duy trì dưới tác dụng của các thành phần
phản lực: thẳng đứng, bên và tiếp tuyến tác dụng lên chúng khi xe chuyển động.
2.1.4.1. Góc nghiêng trụ quay đứng trong mặt phẳng ngang của xe
Khi trụ quay đứng được đặt nghiêng ngang thì phản lực thẳng đứng của đất tác
dụng lên trục trước của xe sẽ được sử dụng để đảm báo tính ổn định của bánh xe dẫn
hướng, bởi vì trên mặt đường cứng khi các bánh xe dẫn hướng bị lệch khỏi vị trí trung
gian của chúng thì trục trước của xe sẽ được nâng lên.
Trên hình 2.14a là sơ đồ của bánh xe dẫn hướng có trụ quay đứng đặt nghiêng
ngang một góc β. Nếu xem như bánh xe không có góc doãng thì ta có thể phân phản
lực thẳng đứng của mặt đất Z1 làm 2 thành phần: Z1.cosβ song song với tâm trục quay
đứng và Z1.sinβ vuông góc với nó.
Trên hình 2.14b biểu thị bánh xe của các lực tác dụng lên nó trong mặt phẳng

đường giả sử bánh xe quay đi 1 góc θ khi đó Z1.sinβ có thể phân thành 2 thành phần
lực: Z1.sinβ.cosθ nằm trong mặt phẳng đi qua dường tâm của cam quay và Z1.sinβ.sinθ
nằm trong mặt phẳng giữa của bánh xe.
Từ hình 2.14b ta tìm được mômem ổn định tạo nên bởi tác dụng của phản lực
thẳng đứng của đất lên bánh xe và độ nghiêng bên của trụ đứng:
M z =Z1.sin.sin.bn
bn - Khoảng cách từ tâm mặt phẳng tựa của bánh xe đến trục của trục quay
Qua biểu thức trên ta lấy mômen ổn định M tăng lên khi tăng góc của bánh xe dẫn
hướng. Mômen này có ý nghĩa chủ yếu là làm cho các bánh xe dẫn hướng tự động
quay về vị trí trung gian sau khi thực hiện quay vòng.

21


Tính toán thiết kế hệ thống lái xe du lịch 5 chỗ ngồi
Khi quay vòng bánh xe dẫn hướng, mômen ổn định M z sẽ chống lại sự quay vòng,
vì vậy phải tăng thêm lực tác dụng lên vành tay lái. Mặc khác, nhờ độ nghiêng ngang
của trụ đứng mà mômen do phản lực tiếp tuyến của đất tác dụng lên bánh xe sẽ giảm
xuống, vì cánh tay đòn của nó giảm đi.
Trị số của góc nghiêng ngang của trụ đứng ở các ô tô hiện nay thường dao động
trong giới hạn từ 0 đến 80.


n

.s i
s
c o
bn

Z1.cos

Z1

Z1

.s i

n

si

n



Z1sin

Z1

Z1sin

b

a

b

Hình 2.14. Góc nghiêng của trục quay đứng trong mặt phẳng ngang của xe.
2.1.4.2. Góc nghiêng trụ quay đứng trong mặt phẳng dọc

Khi ô tô chuyển động trên đường lúc quay vòng sẽ có lực ly tâm tác dụng, hoặc
khi chuyển động có gió thổi ngang, hay thành phần bên của trọng lực khi xe khi xe
chạy trên mặt đường nghiêng, ở khu vực tiếp xúc của bánh xe với mặt đường sẽ xuất
hiện phản lực bên Py.
Khi trụ quay đứng đặt nghiêng về phía sau 1 góc γ so với chiều tiến của xe thì
phản lực bên Py sẽ tạo với tâm tiếp xúc o một mô men ổn định như sau (hình 2.15).
M  =Py.C
Trong đó:

Py - Phản lực ngang đặt tại điểm O.

Mô men này có xu hướng làm quay bánh xe trở về vị trí trung gian khi nó lệch
khỏi vị trí này. Vì C = rb.sinγ nên mômen ổn định có thể viết dưới dạng như sau:
M  =Py. rb.sinγ

22


Tính toán thiết kế hệ thống lái xe du lịch 5 chỗ ngồi


rb
o

o
Py

c

Hình 2.15. Góc nghiêng trụ quay đứng trong mặt phẳng dọc của xe.

Khi quay vòng người lái phải tạo ra một lực để khắc phục mômen này, vì vậy góc
γ thường không lớn. Trị số của góc γ đối với ô tô hiện nay là 0  30. Mômen ổn định
M  không phụ thuộc vào góc quay của bánh xe dẫn hướng.
2.1.4.3. Góc doãng của bánh xe dẫn hướng
Góc doãng: Là góc tạo bởi mặt phẳng quay bánh xe và mặt phẳng thẳng đứng,
chiều dương ngược chiều kim đồng hồ khi nhìn từ đầu xe.



O

Hình 2.16. Góc doãng của bánh xe dẫn hướng phía trước.

23