Nghiên cứu, tính toán thiết kế và kiểm nghiệm trên máy tính hệ thống lái xe city car

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn
của TS. Hoàng Thăng Bình. Đề tài được thực hiện tại Trường Đại học Bách khoa
Hà Nội . Các số liệu và kết quả trình bày trong luận văn là độc lập, hoàn toàn trung
thực và chưa từng công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào.
Hà Nội, ngày 16 tháng 9 năm 2013.
Tác giả

Nguyễn Văn Toàn

1


DANH MỤC HÌNH VẼ BẢNG BIỂU
TT

Tên hình vẽ, bảng biểu

Trang

1.

Hình 1-1. Hình dáng ngoài xe city car.

11

2.

Hình 2-1. Trạng thái quay vòng của xe.

15

3.

Hình 2-2. Phân loại hệ thống lái theo số bánh dẫn hướng.

17

4.

Hình 2-3. Cơ cấu lái trục vít – con lăn.

18

5.

Hình 2-4. Cơ cấu lái kiểu trục vít-êcu bi-thanh răng cung răng.

19

6.

Hình 2-5. Cơ cấu lái kiểu bánh răng - thanh răng.

20

7.

Hình 2-6. Sơ đồ hệ thống lái xe Tatanano.

21

8.

Hình 2-7. Đặc điểm kết cấu cơ cấu lái xe Matiz.

22

9.

Hình 2-8. Sơ đồ hệ thống lái xe Kia morning dùng trợ lực lái điện.

24

10.

Hình 2-9. Sơ đồ chung của hệ thống lái thiết kế.

26

11.

Hình 2-10. Sơ đồ dẫn động lái.

26

12.

H nh 3-1. Sơ đồ động học khi quay v ng.

29

13.

Hình 3-2. Sơ đồ dẫn động lái khi xe đi thẳng.

30

14.

Hình 3-3. Sơ đồ h nh thang lái khi xe quay v ng.

32

15.

Hình 3-4. Đồ thị đặc tính động học hình thang lái.

34

16.

Hình 3-5. Sơ đồ đặt bánh xe dẫn hướng.

35

17.

Hình 3-6. Sơ đồ lực ngang tác dụng lên bánh xe khi xe quay vòng.

36

18.

Hình 3-7. Mặt c t trục lái.

48

19.

Hình 3-8. Sơ đồ phân bố lực phanh.

49

20.

Hình 3-9. Khớp cầu.

52

21.

H nh 3-10. Logo phần mềm Solidworks.

55

22.

Hình 3-11. Vẽ 3D thanh răng.

57

23.

Hình 3.12. Vẽ 3D bánh răng.

58

24.

Hình 3-13. Mô h nh 3D chi tiết rôtuyn.

59

25.

Hình 3-14. Ngàm chặt mặt côn rôtuyn.

59

26.

Hình 3-15. Kết quả tính bền bánh răng.

61

27.

Hình 3- 16. Kết quả tính bền thanh răng.

62

2


28.

Hình 3-17. Kết quả tính bền Rôtuyn.

63

29.

Hình 4-1. Các cụm chi tiết chính trong ô tô con.

64

30.

Hình 4-2. Chi tiết dạng tấm và công nghệ dập vuốt.

66

31.

Hình 4-3. Dập vuốt thủy cơ ứng dụng chất lỏng.

67

32.

Hình 4-4. Chi tiết dạng khối và công nghệ.

67

33.

Hình 4-5. Quy trình công nghệ và khuôn dập khối.

68

34.

Hình 4-6. Nguyên lí dập chi tiết ống chữ T.

69

35.

Hình 4-7. Các dạng sản phẩm ứng dụng IHU.

70

36.

Hình 4-8. Khung thân xe con.

70

37.

Hình 4.9. Ép chảy kết hợp uốn nóng linh hoạt.

71

38.

Hình 4-10. Ghép nối chi tiết tâm trong khung xe ô tô.

72

39.

Hình 4-11. Ghép nối chi tiết tấm trong khung xe ô tô.

72

40.

Hình 4-12.Công nghệ uốn tấm điển hình.

73

41.

Hình 4-13. Công nghệ uốn tấm điển hình.

73

42.

ảng 3-1. Bảng giá trị góc quay tương ứng  theo

3

32


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Ý nghĩa

TT

Chữ viết tắt

1.



Góc quay của bánh xe dẫn hướng ngoài của cầu dẫn hướng.

2.



Góc quay của bánh xe dẫn hướng trong của cầu dẫn hướng.

3.

L

Chiều dài cơ sở của xe.

4.

B

Khoảng cách giữa hai tâm trụ đứng.

5.



Góc tạo bởi đ n bên h nh thang lái và phương ngang.

6.

m

Chiều dài đ n bên h nh thang lái.

7.

y

Khoảng cách giữa đ n ngang với trục trước.

8.

p

Chiều dài đ n thanh nối bên hình thang lái.

9.

lt

Góc  tính theo lý thuyết.

10.

tt

Góc  tính theo thực tế.

11.



Độ sai lệch.

12.

Gbx

Trọng lượng tác dụng lên một bánh xe dẫn hướng.

13.

a

14.

f

15.

r

16.

H

Chiều cao của lốp.

17.

d

Đường kính vành bánh xe.

18.

rbx

Cánh tay đ n của bánh xe dẫn hướng với xe thiết kế đo được.
Hệ số cản lăn ta xét trong trường hợp khi ôtô chạy trên
đường nhựa và khô.
án kính tự do của bánh xe.

án kính làm việc của bánh xe.

id

Tỷ số truyền của dẫn động lái.

ic

Tỷ số truyền của cơ cấu lái.

19.

 ’max

Vòng quay vành lái lớn nhất tính từ vị trí đi thẳng.

20.

 max

Góc quay vòng lớn nhất của bánh xe dẫn hướng.

21.

Mc

Mômen cản quay v ng.

22.

R

Bán kính vành lái.

4


23.

th

Hiệu suất thuận của cơ cấu lái.

24.

Dc

Đường kính v ng chia.

25.

mn

Môdun pháp tuyến của bánh răng.

26.



Góc nghiêng ngang của bánh răng.

27.

 x 

28.

Mx

29.

SH

Hệ số an toàn.

30.

ZR

Hệ số xét ảnh hưởng của độ nhám.

31.

ZV

Hệ số xét ảnh hưởng của vận tốc v ng.

32.

KXH

Hệ số xét ảnh hưởng của kích thước bánh răng.

33.

KF

Hệ số xét ảnh hưởng của độ độ bôi trơn.

34.

YS

Hệ số xét tới ảnh hưởng của mô đun.

35.



Hệ số trùng khớp ngang.

36.

YF1, YF2

37.

Wx

38.

[σ cd ]

ng suất ch n dập cho phép.

39.

[σ u ]

ng suất uốn cho phép tại vị trí ngàm.

40.

[τ]

ng suất c t cho phép tại vị trí ngàm.

41.

Fc

Diện tích tiếp x c giữa mặt cầu và đệm rôtuyn.

42.

Wu

Mômen chống uốn của tiết diện tính toán.

43.

Fc

Diện tích tiếp x c giữa mặt cầu và đệm rôtuyn.

44.

Dc

Đường kính cầu rôtuyn.

ng suất tiếp x c cho phép tại tiết diện nguy hiểm nhất.
Mô men xo n gây lên sự nguy hiểm ở thanh răng, chính bằng
mômen cản quay v ng từ bánh xe.

Hệ số dạng răng.
Mômen chống xo n của tiết diện tính toán.

5


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ 1
DANH MỤC HÌNH VẼ BẢNG BIỂU ....................................................................... 2
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT............................................. 4
LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................. 9
Chƣơng 1 TỔNG QUAN .......................................................................................... 10
1.1. KHÁI QUÁT TÌNH HÌNH PHÁT TRIỂN XE CITY CAR TRÊN THẾ GIỚI ............... 10
VÀ VIỆT NAM.............................................................................................................................. 10
1.2. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI ..................................................................................................... 12
1.3. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU. ..................................................................... 12

1.4. PHƢƠNG PHÁP TIẾP CẬN VÀ NGHIÊN CỨU .............................................................. 12
1.5. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .................................................................................................. 13

Chƣơng 2 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LÁI TRÊN XE CITY CAR ............ 14
2.1. CÁC YÊU CẦU CÔNG DỤNG PHÂN LOẠI HỆ THỐNG LÁI TRÊN XE ÔTÔ CON
THÔNG THƢỜNG. ...................................................................................................................... 14
2.1.1. Công dụng. ........................................................................................................................ 14
2.1.2. Yêu cầu. ............................................................................................................................ 15
2.1.3. Phân loại hệ thống lái. ....................................................................................................... 16
2.2. HỆ THỐNG LÁI CỦA CÁC MẪU XE CITY CAR ĐIỂN HÌNH .................................... 21
2.2.1. Hệ thống lái xe Tatanano. ................................................................................................. 21
2.2.1.1. Cấu tạo và thông số kỹ thuật. ..................................................................................... 21
2.2.1.2. Nguyên lý hoạt động. ................................................................................................. 21
2.2.1.3. Ưu điểm...................................................................................................................... 22
2.2.2. Hệ thống lái xe Matiz ........................................................................................................ 22
2.2.2.1. Cấu tạo và thông số kỹ thuật ...................................................................................... 22
2.2.2.2. Nguyên lý hoạt động. ................................................................................................. 23
2.2.2.3. Ưu điểm...................................................................................................................... 23
2.2.3. Hệ thống lái xe Kia morning. ............................................................................................ 24
2.2.3.1. Cấu tạo và thông số kỹ thuật. ..................................................................................... 24
2.2.3.2. Nguyên lý hoạt động. ................................................................................................. 24
6


2.2.3.3. Ưu điểm...................................................................................................................... 25
2 . 3. LỰA CHỌN PHƢƠNG ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG LÁI CỦA XE CITY CAR. ....................... 25
2.3.1. Lựa chọn cơ cấu lái. .......................................................................................................... 25
2.3.2. Lựa chọn dẫn động lái. ...................................................................................................... 26

Chƣơng 3. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ 3D VÀ KIỂM NGHIỆM ........................... 27

HỆ THỐNG LÁI TRÊN MÁY TÍNH ..................................................................... 27
3.1. TÍNH TOÁN HỆ THỐNG LÁI XE CITY CAR. ................................................................ 27
3.1.1. Các thông số tính toán. ...................................................................................................... 27
3.1.2. Tính toán dẫn động lái....................................................................................................... 27
3.1.2.1. Tính động học hình thang lái. .................................................................................... 27
3.1.2.2. Xây dựng đường cong thực tế. ................................................................................... 29
3.1.2. 3. Xác định mômen cản quay vòng tại chỗ. .................................................................. 33
3.1.3. Tính toán cơ cấu lái. .......................................................................................................... 36
3.1.3. 1. Xác định bán kính v ng lăn của bánh răng. .............................................................. 37
3.1.3. 2. Xác định các thông số của bánh răng. ....................................................................... 37
3.1.3.3. Xác định kích thước và thông số của thanh răng. ..................................................... 39
3.1.4. Tính bền cơ cấu lái bánh răng - thanh răng. ...................................................................... 40
3.1.4.1. Xác định lực tác dụng lên bộ truyền bánh răng - thanh răng. .................................... 40
3.1.4.2. Kiểm tra vật liệu. ........................................................................................................ 40
3.1.4.3.

ng suất cho phép...................................................................................................... 41

3.1.5. Tính bền dẫn động lái. ....................................................................................................... 44
3.1.5.1. Kiểm tra bền trục lái. .................................................................................................. 44
3.1.5.2. Tính bền đ n kéo ngang. ............................................................................................ 45
3.1.5.3. Tính bền thanh nối bên của dẫn động lái. .................................................................. 47
3.1.5.4. Kiểm tra bền rôtuyn. .................................................................................................. 47
3.2. THIẾT KẾ 3D HỆ THỐNG LÁI XE CITY CAR............................................................... 49
3.2.1. Phần mềm thiết kế 3D. ...................................................................................................... 49
3.2.2. Thiết kế 3D thanh răng. ..................................................................................................... 52
3.2.3. Thiết kế 3D bánh răng. ...................................................................................................... 53
3.2.4. Thiết kế 3D rôtuyn. ........................................................................................................... 54
3.3. KIỂM NGHIỆM BỀN TRÊN MÁY TÍNH.......................................................................... 55

7


3.3.1. Phần mềm kiểm nghiệm 3D. ............................................................................................. 55
3.3.2. Trình tự kiểm nghiệm bền. ................................................................................................ 55
3.3.3. Kiểm nghiệm bền và kết quả của cơ cấu lái bánh răng, thanh răng, rôtuyn. ..................... 56
3.3.3.1. Kiểm nghiệm bền và kết quả của bánh răng. ............................................................. 56
3.3.3.2. Kiểm nghiệm bền và kết quả của thanh răng. ............................................................ 57
3.3.3.3. Kiểm nghiệm bền và kết quả của rôtuyn. ................................................................... 59

Chƣơng 4. ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP KỸ THUẬT NÂNG CAO TÍNH NĂNG DỂ
CHẾ TẠO HẠ GIÁ THÀNH ................................................................................... 60
4.1. Một số công nghệ gia công cơ bản của Việt Nam. ............................................................... 60
4.1.1. Công nghệ gia công tại Việt Nam. .................................................................................... 60
4.1.2. Các công nghệ chế tạo trong gia công áp lực. ................................................................... 61
4.1.2.1. Chế tạo các chi tiết dạng tấm vỏ. ............................................................................... 61
4.1.2.2. Chế tạo chi tiết dạng khối........................................................................................... 63
4.1.2.3. Chế tạo chi tiết dạng ống. ........................................................................................... 65
4.1.2.4. Chế tạo chi tiết dạng khung. ....................................................................................... 66
4.1.2.5. Công nghệ ghép nối tấm mỏng. ................................................................................. 67
4.1.2.6. Công nghệ uốn tấm. ................................................................................................... 69
4.2. Đề xuất giải pháp nâng cao dể chế tạo hạ giá thành sản xuất. ........................................... 70
4.2.1. Giải pháp chọn vật liệu chế tạo và gia công. ..................................................................... 70
4.2.1.1.Chọn vật liệu và các yêu cầu khi gia công. ................................................................. 70
4.2.1.2. Qui trình gia công bánh răng và thanh răng. .............................................................. 71
4.2.2. Giải pháp kỹ thuật gia tăng độ bền cho bánh răng và thanh răng. .................................... 72

KẾT LUẬN ................................................................................................................ 73
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 75

8


LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay khoa học kỹ thuật đang có những bước phát triển rất nhanh nhằm
đáp ứng nhu cầu đời sống chất lượng ngày càng cao của con người.
Trên ôtô hệ thống lái là một trong hai hệ thống quan trọng bậc nhất liên quan
đến an toàn điều khiển, với tính năng đó hệ thống lái có những yêu cầu riêng. Qua
quá trình phát triển, hệ thống này ngày càng được cải thiện cũng như có những phát
minh mới nhằm đảm bảo các yêu cầu, nâng cao tính năng sử dụng, góp phần vào sự
thuận lợi và an toàn trong việc sử dụng ôtô.
Với mục đích đó, trong một khoảng thời gian học tập và nghiên cứu tại
Trường Đại học bách khoa Hà Nội. Đề tài này chỉ giới hạn trong việc “Nghiên cứu,
thiết kế tính toán và kiểm nghiệm trên máy tính hệ thống lái xe City car”.
Thông qua những kiến thức đã học và bản thân tìm hiểu những kiến thức mới qua
tài liệu sách vở, trên Internet, cùng với sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo - Tiến sĩ
Hoàng Thăng Bình và quí thầy trong viện cơ khí động lực Trường Đại học bách
khoa Hà Nội, mong rằng đề tài sẽ đem lại một cái nhìn tổng quan hơn về hệ thống
lái của xe city car hiện nay.
Trải qua thời gian nghiên cứu và học tập tác giả đã tích lũy được một số vốn
kiến thức nhất định để phục vụ cho quá trình công tác và nghiên cứu sau này. Để có
được điều đó không chỉ nhờ vào công học tập và nghiên cứu mà còn nhờ rất nhiều
vào công ơn dạy dỗ và hướng dẫn của quí thầy cô.
Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế tính toán và kiểm nghiệm trên máy tính hệ
thống lái xe city car” đã được tác giả tiến hành chọn để thực hiện làm luận văn tốt
nghiệp. Để được đưa vào sử dụng thiết kế rộng rãi trong thực tế, tác giả rất mong
nhận được nhiều ý kiến đánh giá từ các chuyên gia chuyên nghành và các đồng
nghiệp. Qua đây tác giả cũng bày tỏ lòng cảm ơn sâu s c tới thầy giáo TS. Hoàng
Thăng Bình cùng toàn thể các thầy trong Bộ môn Ôtô Viện Cơ khí động lực đã
hướng dẫn và gi p đỡ tác giả hoàn thành luận văn này.

Xin trân trọng cảm ơn!

9


Chƣơng 1 TỔNG QUAN
1.1. KHÁI QUÁT TÌNH HÌNH PHÁT TRIỂN XE CITY CAR TRÊN THẾ
GIỚI VÀ VIỆT NAM.
Ngày nay khoa học kỹ thuật đang có những bước phát triển rất nhanh nhằm
nâng cao chất lượng đời sống của con người. Cùng với sự phát triển đó ngành công
nghiệp ôtô đã có những bước phát triển lớn tạo nên chất lượng ôtô ngày càng cao
phục vụ cho cuộc sống và việc phát triển kinh tế.
Hiện nay, nhiều tập đoàn ô tô lớn trên thế giới đang tập trung nghiên cứu
phát triển các dòng xe sử dụng nhiều nguồn năng lượng mới và thân thiện với môi
trường. Châu Âu mới cho ra đời chiếc xe 1 Ero (1 Ero đi được 100 km) nhỏ gọn,
tiện lợi và có thể sử dụng 2 nguồn năng lượng khác nhau (xăng hoặc điện), nhiều
hãng xe ở châu Á cũng đang nghiên cứu và phát triển dòng xe tiện ích và nhỏ gọn.
Những chiếc xe này có tên gọi là City car hay Smart car. Tại sao có nhiều nước trên
thế giới lại phát triển những dòng xe nhỏ như vậy? Hệ thống lái của dòng xe này có
cấu tạo như thế nào, nguyên lý hoạt động của chúng có khác gì so với hệ thống lái
của những d ng xe b nh thường hay không? Liệu có thể tính toán thiết kế tạo ra
những sản phẩm tương tự có giá thành hạ và phù hợp với điều kiện giao thông ở
Việt Nam được không? Đây là một bài toán tương đối khó đặt ra cho những nhà kỹ
thuật thiết kế ô tô ở nước ta.
Hệ thống lái đóng vai tr quyết định hướng chuyển động của ôtô và tạo nên
các tính năng ổn định trong quá trình chuyển động của xe City car. Chính vì vậy,
việc làm chủ được công nghệ tính toán thiết kế và chế tạo nó sẽ có một ý nghĩa vô
cùng quan trọng trong việc quyết định đến chất lượng và giá thành của xe, đáp ứng
được yêu cầu của người tiêu dùng.
Để đáp ứng được sự phát triển đó,việc hiểu rõ các vấn đề về hệ thống lái là

rất cần thiết nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho việc sử dụng, sửa chữa bảo dưỡng và
cải tiến hệ thống lái. Với mục đích đó, trong giới hạn thời gian, đề tài này chỉ giới
hạn trong việc “Nghiên cứu, thiết kế tính toán và kiểm nghiệm trên máy tính hệ

10


thống lái xe City car” thông qua việc tìm hiểu, học hỏi về dòng xe mới và vận
dụng các kiến thức đã học.
Việc kiểm nghiệm trên máy tính sẽ giúp cho việc thiết kế hệ thống lái trên ôtô
trực quan hơn, ít tốn chi phí hơn và hiệu quả kinh tế cao hơn.
Xe city car là phiên bản Sedan cỡ nhỏ ra đời vào những năm 2000 để thay thế
cho dòng Soluna ở thị trường Đông Nam Á và Trung Quốc. Thế hệ xe city car đầu
tiên là một phần trong dự án hợp tác giữa các kĩ sư Thái Lan và những nhà thiết kế
Nhật Bản được sản xuất tại nhà máy của Nhật Bản như Toyota. Với sự ra đời của
dòng xe city car thế hệ thứ 2 năm 2006 như Matiz, KIA_morning, Toyota b t đầu
cho dòng xe này tiến quân sang các thị trường khác ngoài châu Á, thay thế chiếc
Toyota Soluna, một mẫu subcompact b nh dân hơn Toyota Corolla và Toyota
Camry, Matiz, KIA_morning trong khu vực Đông Nam Á.

Hình 1-1. Hình dáng ngoài xe city car.
Đầu năm 2013 xe City car đã xuất hiện đầu tiên tại Việt Nam với kiểu thiết
kế thân xe dạng sedan 4 chỗ với các thông số sau:
-

Động cơ: 0.6 lít, hai xilanh sử dụng nhiên liệu diesel

-

Công suất 33 mã lực

-

Hộp số năm cấp số sàn
11


-

Chiều dài cơ sở 2230mm

-

Chiều rộng 1500mm

-

Trọng lượng không tải 635kg

Những chiếc xe đầu tiên của City car ra đời tại Thái Lan dưới bàn tay của
các kỹ sư Thái Lan và các nhà thiết kế Nhật Bản. Phần lớn các mẫu xe City car tại
các quốc gia Đông Nam Á trong đó có Việt Nam được trang bị động cơ có dung
tích xilanh từ 0.6 đến 1.5 lít.
Phiên bản đầu tiên của xe City car được chế tạo dựa trên mẫu Toyota Platz.
Nhờ một số cải tiến về ngoại thất, những chiếc xe đó mang một dáng vẻ khác biệt,
đặc biệt là với phiên bản 2006. Phiên bản này được chỉnh sửa đáng kể với lưới tản
nhiệt, đ n pha, đ n hậu được làm mới cùng vành đ c và nội thất mới.
1.2. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI
Từ những vấn đề đặt ra như trên mục tiêu của đề tài là nghiên cứu, thiết kế
tính toán và kiểm nghiệm trên máy tính hệ thống lái xe City car. Từ đó đưa ra

phương án thiết kế, tính toán và kiểm nghiệm trên máy tính hệ thống lái xe City car
để mang lại hiệu quả kinh tế cho việc sản xuất ôtô sau này, giảm được chi phí sản
xuất, thời gian thử nghiệm, giảm giá thành cho ngành chế tạo ôtô.
1.3. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU.
Với mục tiêu trên tác giả chỉ nghiên cứu về hệ thống lái của mẫu xe City car
bốn chổ ngồi, hai cửa có động cơ đặt sau, hộp số năm cấp và hệ thống lái cơ khí
không có trợ lực lái, bán kính quay vòng nhỏ, dễ quay trở, trọng lượng nhỏ, dễ sử
dụng và sửa chữa.
1.4. PHƢƠNG PHÁP TIẾP CẬN VÀ NGHIÊN CỨU
Với đối tượng nghiên cứu là hệ thống lái trên xe City car, tác giả lựa chọn
phương pháp nghiên cứu là tiếp cận các mẫu xe City car của các nước trên thế giới
như Ấn Độ, Hàn Quốc, Mỹ, Đức, Malaysia…tìm hiểu, phân tích các ưu nhược điểm
để lựa chọn cho m nh phương án thiết kế. Áp dụng các công cụ tính toán mô phỏng
hiện đại trong 3D để kiểm nghiệm.

12


1.5. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
-

Nghiên cứu một số mẫu xe City car điển h nh của các nước trên thế giới;

-

Phân tích, lựa chọn phương án thiết kế;

-

Tính toán, thiết kế 3D và kiểm nghiệm;

-

Đề xuất giải pháp kỹ thuật nâng cao tính dễ chế tạo, hạ giá thành.

13


Chƣơng 2 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LÁI TRÊN XE CITY CAR
2.1. CÁC YÊU CẦU CÔNG DỤNG PHÂN LOẠI HỆ THỐNG LÁI TRÊN XE
ÔTÔ CON THÔNG THƢỜNG.
2.1.1. Công dụng.
- Hệ thống lái của ôtô dùng để thay đổi hướng chuyển động của ôtô nhờ quay vòng
các bánh xe dẫn hướng và để giữ ổn định phương chuyển động thẳng khi xe không
quay vòng.
- Việc điều khiển hướng chuyển động của xe được thực hiện như sau: Vành lái tiếp
nhận lực tác động của người 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 hướng. Kết cấu của hệ thống lái phụ thuộc vào kết cấu chung của xe và của
từng chủng loại xe.
- Để quay v ng đ ng th các bánh xe dẫn hướng phải quay quanh một tâm quay tức
thời khi quay vòng.
- Sự chuyển động và thay đổi hướng chuyển động của xe trên đường là quá trình
phức tạp. Khi xe chuyển động trên đường vòng với tốc độ thấp thì ứng với mỗi vị
trí góc quay của vành tay lái nhất định V1 xe sẽ quay vòng với một bán kính quay
vòng R0 tương ứng. Đây có thể coi là trạng thái quay v ng tĩnh (quay v ng đủ).
Trong thực tế xe thường chuyển động ở tốc độ lớn, do vậy quá trình quay
v ng là động, trạng thái quay v ng đủ ít xảy ra mà thường 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 R0 người lái
phải tăng góc quay vành lái một lượng V2. Khi quay vòng thừa, để thực hiện quay
vòng xe theo bán kính R0 người lái phải giảm góc quay vành lái một lượng V3.
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 v ng tăng). Ở những trạng thái

14


này yêu cầu người lái phải có kinh nghiệm xử lý tốt. Vấn đề chất tải, độ đàn hồi của
lốp cũng có ảnh hưởng tới tính năng quay v ng và tính an toàn chuyển động của xe,
đặc biệt là những xe có vận tốc lớn .

Hình 2-1. Trạng thái quay vòng của xe.
2.1.2. Yêu cầu.
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 kỹ thuật sau:
 Đảm bảo khả năng quay v ng với bánh kính quay vòng nhỏ
 Đảm bảo lực điều khiển nhẹ nhàng và hành tr nh điều khiển tỷ lệ với mức độ
quay vòng của ôtô
 Đảm bảo các bánh xe dẫn hướng có khả năng tự ổn định cao

15


 Các bánh xe dẫn hướng khi thả vành lái phải có khả năng tự quay trở về vị trí
đi thẳng, hay khi cần quay về vị trí đi thẳng chỉ phải tiêu tốn năng lượng nhỏ
hơn khi đưa vành lái ra khỏi vị trí trung gian.

 Đảm bảo tính năng vận hành cao của ôtô có nghĩa là khả năng quay v ng
nhanh và ngặt trong một thời gian rất ng n trên một diện tích rất bé.
 Lực tác động lên vành lái nhẹ, vành lái nằm ở vị trí tiện lợi đối với người lái.
 Tránh va đập truyền ngược từ bánh xe lên vành lái và giữ chuyển động thẳng
ổn định.
2.1.3. Phân loại hệ thống lái.
- Theo phương pháp chuyển hướng của ô tô có hai loại: Hệ thống lái thực
hiện bằng cách thay đổi hướng chuyển động của các bánh xe dẫn hướng quanh trụ
đứng, hệ thống lái thực hiện chuyển hướng bằng cách quay cả cầu dẫn hướng.
- Theo phương pháp điều khiển có loại hệ thống lái điều khiển cưỡng bức
bằng tay và hệ thống lái điều khiển tự động.
- Theo đặc điểm kết cấu của hệ thống lái có các loại: Hệ thống lái không có
cường hóa, hệ thống lái có cường hóa.
- Theo kết cấu và nguyên lý làm việc của bộ cường hóa chia ra loại cơ khí,
cường hóa thủy lực, loại cường hóa khí nén, dẫn động thủy lực cường hóa khí nén.
- Theo bố trí vành lái có loại vành lái bên trái, có loại vành lái bên phải, có loại
có thể điều chỉnh vành lái. Tùy thuộc vào điều kiện địa lý và luật pháp của từng
quốc gia.
- Theo số lượng cầu dẫn hướng có các loại: Hệ thống lái điều khiển một cầu
dẫn hướng, hai cầu dẫn hướng, tất cả các cầu dẫn hướng.

16


Hình 2-2. Phân loại hệ thống lái theo số bánh dẫn hƣớng
Đặc điểm và phạm vi sử dụng :
+ Cầu trước dẫn hướng (a) là loại dẫn hướng thông dụng, dễ thiết kế, được sử
dụng trên các loại xe con, xe tải, xe khách.
+ Cầu sau dẫn hướng (b) có tính cơ động cao trong diện tích chật hẹp, loại cơ
cấu này thường được dùng trên các xe nâng.

+ Hai cầu dẫn hướng (c) được dùng trên các xe chuyên dụng hoặc xe địa hình,
xe có khả năng cơ động cao với bán kính quay vòng nhỏ.
+ Nhiều cầu dẫn hướng (d) sử dụng trên các xe tải nặng, với các yêu cầu về việc
phân bố tải trọng trên các bánh xe không vượt quá giới hạn cho phép.
- Theo cấu tạo của cơ cấu lái có các loại: Cơ cấu lái trục vít bánh vít, cơ cấu
lái trục vít đ n quay, cơ cấu lái bánh răng thanh răng, cơ cấu lái thủy lực.
● Cơ cấu lái trục vít con lăn.
Loại cơ cấu lái này hiện nay được sử dụng rộng rãi . Trên phần lớn các ôtô loại
có tải trọng bé và tải trọng trung b nh đều đặt loại cơ cấu này. Cơ cấu lái gồm trục
vít glôbôit 1 ăn khớp với con lăn 2 đặt trên các ổ bi kim của trục 3 của đ n quay
đứng. Số lượng 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.
 Ƣu điểm:
- Nhờ trục vít có dạng glô-bô-it cho nên tuy chiều dài trục vít không lớn
nhưng sự tiếp x c các răng ăn khớp được lâu hơn và trên diện rộng hơn, nghĩa là
giảm được áp suất riêng và tăng độ chống mài m n.

17


- Tải trọng tác dụng lên chi tiết tiếp x c được phân tán tùy theo cỡ ôtô mà
làm con lăn có hai đến bốn v ng ren.
- Mất mát do ma sát ít hơn nhờ thay được ma sát trượt bằng ma sát lăn.
- Có khả năng điều chỉnh khe hở ăn khớp giữa các bánh răng. Đường trục của
con lăn nằm lệch với đường trục của trục vít một đoạn  = 5  7mm, điều này cho
phép triệt tiêu sự ăn m n khi ăn khớp bằng cách điều chỉnh trong quá tr nh sử dụng.

Hình 2-3. Cơ cấu lái trục vít – con lăn
1.Trục vít 2. Con lăn 3. Ổ bi kim
● Cơ cấu lái kiểu trục vít - êcu bi- thanh răng- cung răng.

Gồm một trục vít, cả hai đầu trục vít được đỡ bằng ổ bi đỡ chặn. Trục vít và êcu
có rãnh tr n có chứa các viên bi,các viên bi lăn trong rãnh và truyền lực. Khi đến
cuối rãnh th các viên bi theo đường hồi bi quay trở lại vị trí ban đầu.
Khi trục vít quay (phần chủ động), êcu bi chạy dọc trục vít, chuyển động này
làm quay răng rẻ quạt .Trục của bánh răng rẻ quạt là trục đ n quay đứng. Khi bánh
răng rẻ quạt quay làm cho đ n quay đứng quay, qua các đ n dẫn động làm quay
bánh xe dẫn hướng.
 Ƣu điểm:
Cơ cấu lái kiểu trục vít-êcu bi - thanh răng - cung răng có những ưu điểm sau:
- Ma sát giữa trục vít và ê cu bi là ma sát lăn thông qua các viên bi, bởi vậy mà
hiệu suất truyền lực cao, giảm được sự m n trong cơ cấu lái.
- Tỉ số truyền của cơ cấu lái có thể thay đổi nếu bán kính v ng chia của cung
răng và bước thanh răng thay đổi.

18


- Hiệu suất thận và nghịch gần bằng nhau và đạt được

  0,85  0,70

có

khả năng điều chỉnh khe hở giữa thanh răng và bánh răng rẻ quạt.

1. Vỏ cơ cấu lái

6. Phớt

2. i dưới

7. Đai ốc điều chỉnh

3.Trục vít

8. Đai ốc hãm

4. Êcu bi

9. ánh răng rẻ quạt

5. Ổ bi trên

10. Bi.

Hình 2-4. Cơ cấu lái kiểu trục vít-êcu bi-thanh răng cung răng
Có thể giảm nhẹ lực đánh lái khi xe chạy chậm hoặc đang đỗ bằng cách thay đổi tỷ
số truyền của cơ cấu lái.Tuy nhiên khi tăng tỷ số truyền của cơ cấu lái th làm giảm
độ nhạy của cơ hệ thống lái. Trên các xe có trợ lực lái dùng cơ cấu lái có tỷ số
truyền không thay đổi được.
Đặc điểm của loại cơ cấu lái có tỷ số truyền không đổi là các bán kính ăn khớp của
các răng rẻ quạt C1,C2,C3 là bằng nhau và các bán kính ăn khớp D1 ,D2,D3 của các
răng đai ốc bi cũng bằng nhau.
● Cơ cấu lái kiểu bánh răng - thanh răng.
Cơ cấu lái kiểu bánh răng -thanh răng gồm bánh răng ở phía dưới trục lái
chính ăn khớp với thanh răng, trục bánh răng được l p trên các ổ bi.Thanh răng có
cấu tạo dạng răng nghiêng, phần c t răng của thanh răng nằm ở phía giữa, phần
thanh c n lại có tiết diện tr n. Khi vô lăng quay, bánh răng quay làm thanh răng
chuyển động tịnh tiến sang phải hoặc sang trái trên hai bạc trượt. Sự dịch chuyển
của thanh răng được truyền tới đ n bên qua các đầu thanh răng, sau đó làm quay

bánh xe dẫn hướng quanh trụ quay đứng.

19


 Ƣu điểm:
+ Cơ cấu lái đơn giản gọn nhẹ. Do cơ cấu lái nhỏ và bản thân thanh răng tác
dụng như thanh dẫn động lái nên không cần các đ n kéo ngang như các cơ cấu lái
khác.
+ Có độ nhạy cao v ăn khớp giữa các răng là trực tiếp. Sức cản trượt, cản lăn
nhỏ và truyền mô men rất tốt nên tay lái nhẹ.
+ Cơ cấu lái được bao kín hoàn toàn nên ít phải chăm sóc bảo dưỡng

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 hướng thanh răng .

12. Ổ bi dưới.

Hình 2-5. Cơ cấu lái kiểu bánh răng - thanh răng

20


2.2. HỆ THỐNG LÁI CỦA CÁC MẪU XE CITY CAR ĐIỂN HÌNH
2.2.1. Hệ thống lái xe Tatanano.
2.2.1.1. Cấu tạo và thông số kỹ thuật.
a. Cấu tạo.

Hình 2-6. Sơ đồ hệ thống lái xe Tatanano
b. Thông số kỹ thuật của hệ thống lái.
STT

Thông số kỹ thuật

Kí hiệu

Giá trị

Đơn vị

1.

Chiều dài cơ sở

L

2230

mm

2.

Chiều rộng cơ sở trước/sau

B

1325/1315

mm

3.

Kích thước lốp (trước sau)

4.

Bán kính quay vòng tối
thiểu

135/70/R12
155/65/R12

r

-

4,0

m

bánh răng – thanh răng

-

5.

Cơ cấu lái

6.

Tỷ số truyền cơ cấu lái

i

16

-

7.

Tỷ số truyền dẫn động lái

id

0,85

-

2.2.1.2. Nguyên lý hoạt động.
Khi người điều khiển quay vô lăng sang trái hoặc sang phải thì làm cho bánh
răng quay làm thanh răng chuyển động tịnh tiến sang phải hoặc sang trái một đoạn
trên bạc trượt. Khi sự dịch chuyển của thanh răng được truyền xuống đ n quay, nhờ
vậy mà xoay các bánh xe dẫn hướng theo ý muốn của người lái.

21


2.2.1.3. Ƣu điểm.
-

Cấu tạo đơn giản

-

Dể sử dụng và sửa chữa

-

Bán kính quay vòng nhỏ, quay trở nhanh gọn trong những thành phố chật
hẹp.

-

Giá thành thấp phù hợp với người sử dụng nhất là Việt Nam

-

Trọng lượng nhỏ

-

Việc tìm chỗ đỗ cho xe này cũng không quá khó khăn nhờ kích thước gọn
gàng và tầm quan sát tốt từ vị trí ghế lái.

2.2.2. Hệ thống lái xe Matiz
2.2.2.1. Cấu tạo và thông số kỹ thuật
a. Cấu tạo.

1. N p che bụi;

5. Dẫn hướng thanh răng; 9. Đầu thanh lái;

2. Van phân phối;

6. Đai ốc chỉnh;

10. Cao su che bụi;

3. ánh răng trụ răng xo n;

7. Thanh răng;

11. Ổ bi trên.

4. Vỏ thanh răng;

8. Thanh kéo bên;

Hình 2-7. Đặc điểm kết cấu cơ cấu lái xe Matiz

22


b. Thông số kỹ thuật cơ bản hệ thống lái.
STT

Thông số kỹ thuật

Kí hiệu

Giá trị

Đơn vị

L

2340

mm

1.

Chiều dài cơ sở xe

2.

Cơ cấu lái

3.

Chiều rộng cơ sở

B

4.

Tỉ số truyền của cơ cấu lái

i

15,7

5.

Tỉ số truyền của dẫn động lái

id

0.984

6.

Kích thước lốp xe

7.

Bán kính quay vòng tối thiểu

8.
9.

bánh răng – thanh răng
1280

mm

175/60R13

mm

r

4,55

m

Cánh tay đ n của bánh xe dẫn hướng

a

0,04

m

Bán kính vành tay lái

R

185

mm

2.2.2.2. Nguyên lý hoạt động.
Khi người điều khiển quay vô lăng, bánh răng quay làm thanh răng chuyển
động tịnh tiến sang phải hoặc sang trái trên bạc trượt. Sự dịch chuyển của thanh
răng được truyền xuống cam quay qua các thanh kéo bên và đầu thanh lái, nhờ vậy
mà xoay các bánh xe dẫn hướng theo ý muốn của người lái.
2.2.2.3. Ƣu điểm.
Cấu tr c đơn giản, gọn nhẹ do cơ cấu lái nhỏ và bản thân thanh răng có tác
dụng như thanh lái ngang của hình thang lái nên không cần thiết kế thanh lái ngang
như ở hình thang lái khác.
-

Ăn khớp răng trực tiếp nên độ nhạy cao

-

Ma sát trượt và lăn nhỏ kết hợp với sự truyền mômen tốt nên lực điều
khiển trên vành lái nhẹ

-

Cơ cấu lái được bao kín hoàn toàn nên ít phải chăm sóc bảo dưỡng.

-

Dễ bảo dưỡng và sửa chữa

23


2.2.3. Hệ thống lái xe Kia morning.
2.2.3.1. Cấu tạo và thông số kỹ thuật.
a. Cấu tạo.

Hình 2-8. Sơ đồ hệ thống lái xe Kia morning dùng trợ lực lái điện
b. Thông số kỹ thuật cơ bản của hệ thống lái.
STT

Thông số kỹ thuật

Kí hiệu

Giá trị

Đơn vị

1.

Chiều dài cơ sở ( mm )

L

2.370

mm

2.

Chiều rộng cơ sở trước/ sau

B

1400/1385

mm

3.

Bán kính quay vòng tối thiểu

r

4,6

m

4.

Tỷ số truyền cơ cấu lái

i

20

_

5.

Tỷ số truyền dẫn động lái

id

0,85

_

6.

Cơ cấu lái

7.

Kích thước lốp (trước/sau)

bánh răng - thanh răng
165/60/R14

_

2.2.3.2. Nguyên lý hoạt động.
Khác với các hệ thống lái trước không có trợ lực hệ thống lái xe Kiamoring

có bố trí thêm trợ lực lái nhằm gi p cho người lái tác động lực lên vô lăng nhẹ hơn
khi đánh lái. Cũng như những hệ thống lái khác khi người điều khiển xe muốn cho
xe di chuyển theo hướng trái hoặc phải th người điều khiển tác dụng lên vô lăng lái
về phía trái hoặc phải thì xe sẽ chuyển động theo ý muốn của người điều khiển.

24


2.2.3.3. Ƣu điểm.
-

Nhờ có trợ lực lái điện nên lực tác dụng lên vô lăng lái rất nhẹ

-

Cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo

-

Giá thành hợp lý

-

Dễ bảo dưỡng và sửa chữa

-

Cơ cấu lái nằm trong ống bao nên tốn ít thời gian bảo dưỡng

-

Thích hợp với tính năng sử dụng cho người Việt Nam

2 . 3. LỰA CHỌN PHƢƠNG ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG LÁI CỦA XE CITY CAR.
Với các giả thiết ban đầu của xe City car là loại xe con bốn chỗ, hộp số sàn
năm cấp, động cơ đặt sau, vận hành trên mặt đường tốt của thành phố, tác giả lựa
chọn phương án thiết kế hệ thống lái cho xe để đảm bảo bán kính quay vòng nhỏ,
điều khiển thuận lợi và không có trợ lực lái.
2.3.1. Lựa chọn cơ cấu lái.
Trên cơ sở phân tích các cơ cấu lái ở trên, tác giả chọn phương án thiết kế cơ
cấu lái loại bánh răng - thanh răng .
Dựa vào đặc điểm kết cấu và ưu nhược điểm của từng loại cơ cấu lái giới
thiệu trên tác giả lựa chọn phương án thiết kế hệ thống lái với cơ cấu lái đơn giản là
bánh răng thanh răng, với cơ cấu lái này thanh răng được lấy luôn là 1 khâu của
hình thang lái.

5
6

1

2

3

4

1. Đ n quay ngang

3. Cơ cấu lái

6. Trục lái

2. Khớp cầu

4. Thanh dẫn động

5. Vành tay lái

Hình 2-9. Sơ đồ chung của hệ thống lái thiết kế.

25