Phân tích đặc tính động lực học của hệ thống lái trợ lực thủy lực trong xe ô tô

LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Vũ Hoàng Sơn
Sinh ngày: 22 tháng 6 năm 1982
Lớp: 13BCKĐL

MS: CB130105

Nơi công tác hiện nay: Trường Cao đẳng kỹ thuật Công Nghiệp - Bắc
Giang
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và chưa được
công bố trong bất cứ công trình nào khác. Các số liệu, kết quả nêu trong
luận văn là trung thực.

Tác giả luận văn

Vũ Hoàng Sơn

i


MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................... i
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ............................................. iv
DANH MỤC BẢNG BIỂU...................................................................... viii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ....................................................... ix
LỜI NÓI ĐẦU .................................................................................................... ix
CHƢƠNG I: GIỚI THIỆU ................................................................................ 1
1. 1. Đặt vấn đề...................................................................................................... 1
1.2. Tình hình nghiên cứu về hệ thống lái trên thế giới ........................................ 2
1.3. Tình hình nghiên cứu về hệ thống lái trong nước .......................................... 3

1. 4. Lý do lựa chọn đề tài ..................................................................................... 4
1.5. Mục tiêu của đề tài ......................................................................................... 5
1.6. Phạm vi nghiên cứu ........................................................................................ 5
CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LÁI VÀ CƠ SỞ LÝ
THUYẾT .............................................................................................................. 7
2.1. Tổng quan về hệ thống lái ............................................................................. 7
2.1.1 Nhiệm vụ, phân loại, yêu cầu của hệ thống lái ................................ 7
2.1.2. Kết cấu của hệ thống lái .................................................................. 9
2.1.3 Dẫn động lái ................................................................................... 12
2.1.4. Hình thang lái ................................................................................ 13
2.2. Hệ thống lái có trợ lực thủy lực .................................................................. 14
2.2.1. Giới thiệu....................................................................................... 14
2.2.2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống lái trợ lực thủy lực................. 16
2.2.3 Các bộ phận của hệ thống .............................................................. 17
2.3. Cơ sở lý thuyết ............................................................................................. 32
2.3.1. Phương trình dòng chảy qua khe hẹp............................................ 32
2.3.2. Phương trình van thủy lực ............................................................. 34
2.3.3. Phương trình dòng chảy liên tục ................................................... 35
ii


2.3.4. Phương trình lực và mômen của cơ cấu chấp hành ...................... 36
2.3.5 Giải các phương trình của hệ thống, mô phỏng máy tính .............. 37
CHƢƠNG 3: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG LÁI TRỢ LỰC THUỶ LỰC ...... 39
3.1 Sơ đồ nghiên cứu hệ thống lái có trợ lực thuỷ lực ........................................ 39
3.1.1 Sơ đồ nghiên cứu............................................................................ 39
3.1.2 Nguyên lý làm việc ........................................................................ 40
3.2 Xây dựng mô hình toán học của hệ thống lái trợ lực .................................... 43
3.3 Xây dựng chương trình mô phỏng Matlab SIMULINK .............................. 48
CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN ........................... 54

KẾT LUẬN ........................................................................................................ 67
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 68

iii


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 2.1 Cấu tạo chung của hệ thống lái ...................................................... 7
Hình 2.2 Hệ thống lái với các bánh dẫn hướng ở tất cả các cầu ................... 8
Hình 2.3 Cấu tạo của cơ cấu lái thường ...................................................... 10
Hình 2.4 Cơ cấu lái loại trục vít - thanh răng.............................................. 11
Hình 2.5 Cơ cấu loại bi tuần hoàn ............................................................... 12
Hình 2.6 Cấu tạo chung của dẫn động lái .................................................. 13
Hình 2.7 Sơ đồ hình thang lái .................................................................... 14
Hình 2.8 Sơ đồ cấu tạo của hệ thống lái có trợ lực .................................... 15
Hình 2.9 Khi quay vòng sang trái .............................................................. 16
Hình 2.10 Khi quay vòng sang phải ............................................................ 17
Hình 2.11 Cấu tạo của bơm trợ lực ............................................................. 18
Hình 2.12 Cấu tạo của các loại van điều khiển lưu lượng .......................... 19
Hình 2.13 Sơ đồ bố trí thiết bị bù không tải................................................ 20
Hình 2.14 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của bơm dầu ............................... …21
Hình 2.15 Sơ đồ nguyên lý làm việc của van điều khiển lưu lượng(ở tốc độ
thấp)…………………………………………………………………..…..22
Hình 2.16 Sơ đồ nguyên lý làm việc của van điều khiển lưu lượng(ở tốc độ
trung bình)…………………………………………………………………23
Hình 2.17 Sơ đồ nguyên lý làm việc của van điều khiển lưu lượng(ở tốc độ
cao)………………………………………………………………………...24
iv

Hình 2.18 Sơ đồ nguyên lý làm việc của van an toàn ................................. 24
Hình 2.19 Cấu tạo chung của hộp cơ cấu lái có trợ lực .............................. 25
Hình 2.20 Cấu tạo chung của hộp lái dùng van điều khiển kiểu van quay 26
Hình 2.21 Cấu tạo chung của hộp lái dùng van điều khiển kiểu van quay 27
Hình 2.22 Sơ đồ nguyên lý làm việc của van quay (ở vị trí trung gian) ..... 28
Hình 2.23 Sơ đồ nguyên lý làm việc của van quay (khi quay phải) ........... 29
Hình 2.24 Sơ đồ nguyên lý làm việc của van quay (khi quay trái)............. 29
Hình 2.25 Sơ đồ nguyên lý làm việc của trợ lực lái bằng thủy lực (loại dùng
con trượt) ..................................................................................................... 30
Hình 2.26 Dòng chảy qua một khe trong ống ............................................. 33
Hình 2.27 Van thủy lực có độ trầm âm ....................................................... 34
Hình 2.28 Lưu lượng khối lượng vào và ra của một thể tích ...................... 35
Hình 2.29 Lực tác động lên các cơ cấu chấp hành...................................... 36
Hình 2.30 Các thành phần tổn thất lực và mômen của một xy lanh hoặc
động cơ ........................................................................................................ 37
Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý làm việc hệ thống lái có trợ lực thuỷ lực .......... 39
Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý van phân phối dầu ............................................. 41
Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý của xy lanh thủy lực .......................................... 42
Hình 3.4 Sơ đồ hệ phản hồi ......................................................................... 43
Hình 3.5 Chương trình mô phỏng cho khối liên hệ ngược ......................... 49
v


Hình 3.6 Chương trình mô phỏng cho khối van phân phối ........................ 50
Hình 3.7 Chương trình mô phỏng cho khối phương trình liên tục P1 ........ 51
Hình 3.8 Chương trình mô phỏng cho khối phương trình liên tục P2 ........ 52
Hình 3.9 Chương trình mô phỏng góc quay bánh xe dẫn hướng ............... 53
Hình 3.10 Chương trình mô phỏng tổng ..................................................... 53
Hình 3.11 Chương trình con mô phỏng cho lực ma sát .............................. 53
Hình 4.1 Đồ thị biểu diễn quy luật góc quay vô lăng ................................. 56

Hình 4.2 Đồ thị biểu diễn độ dịch chuyển thanh ngang.............................. 56
Hình 4.3 Đồ thị biểu diễn quá trình dịch chuyển của van........................... 57
Hình 4.4 Đồ thị góc quay của bánh xe ........................................................ 58
Hình 4.5 Đồ thị biều diễn áp suất P1 và P2 ................................................. 58
Hình 4.6 Đồ thị biều diễn lực trợ tạo ra bởi xy lanh trợ lực ....................... 59
Hình 4.7 Đồ thị biểu diễn quy luật góc quay vô lăng (đánh lái trái) .......... 60
Hình 4.8 Đồ thị biểu diễn độ dịch chuyển thanh ngang(đánh lái sang trái)60
Hình 4.9 Đồ thị biểu diễn quá trình dịch chuyển của van ((đánh lái sang
trái) ............................................................................................................. 61
Hình 4.10 Đồ thị biểu diễn góc quay bánh xe dẫn hướng .......................... 61
Hình 4.11 Đồ thị biều diễn lực trợ tạo ra bởi xy lanh trợ lực (đánh lái sang
trái)……………………………………………………………………......62
Hình 4.12 Đồ thị độ dịch chuyển thanh ngang trong hai điều kiện của lực
tác dụng lên bánh xe. .................................................................................. 62
vi


Hình 4.13 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi quy luật đánh lái ........................... 63
Hình 4.14 Đồ thị biểu diễn độ dịch của thanh ngang trong hai trường hợp
của tốc độ quay vô lăng .............................................................................. 64
Hình 4.15 Đồ thị biểu diễn góc bánh xe dẫn hướng với góc đánh lái nhanh
và chậm trái) ................................................................................................ 64
Hình 4.16 Đồ thị áp suất P1 và P2 thi thay đổi áp suất nguồn.................... 65
Hình 4.17 Đồ thị góc quay bánh xe dẫn hướng .......................................... 65

vii


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 4.1: Thông số được sử dụng trong chương trình mô phỏng với loại ôtô tải

có trọng lượng 5 tấn...........................................................................................55
Bảng 4.2: Giá trị của các thông số của phương trình ma sát được sử dụng trong
mô phỏng.......................................................................................................... 56

viii


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Gqvl

Góc quay vành lái

Gqbx

Góc quay bánh xe

Hscl

Hệ số cản lăn

ix


LỜI NÓI ĐẦU
Sự phát triển của nền kinh tế Việt nam hiện nay, cùng với xu thế toàn cầu
hoá đã tạo điều kiện thuận lợi cho nền công nghiệp ôtô phát triển. Với chiến
lược phát triển của nhà nước về lĩnh vực sản xuất cơ khí nói chung và ngành
công nghiệp ôtô nói riêng thông qua chính sách thuế nhập khẩu đã bảo hộ nền
công nghiệp ôtô trong nước, đặc biệt là lĩnh vực nội địa hoá các linh kiện và phụ
tùng ôtô. Điều đó đặt ra một đòi hỏi thực tế là cần một đội ngũ kỹ thuật đông

đảo đặc biệt là đội ngũ thiết kế.
Việc nghiên cứu lý thuyết tiến tới chế tạo hệ thống lái có trợ lực thuỷ lực
là một trong những nội dung quan trọng trong chính sách nội địa hoá các linh
kiện và phụ tùng ôtô.
Là giảng viên khoa Cơ khí động lực - Trường Cao đẳng kỹ thuật Công
Nghiệp- Bắc Giang, để đáp ứng yêu cầu giảng dạy, nghiên cứu khoa học và
nâng cao kiến thức chuyên ngành, tôi chọn đề tài:
Phân tích đặc tính động động lực học của
hệ thống lái trợ lực thuỷ lực trong xe ô tô
Đề tài này tập trung vào việc nghiên cứu hệ thống trợ lực lái bằng thủy
lực, xây dựng các phương trinh động lực học của hệ thống, khảo sát và phân
tích đặc tính lái của hệ thống dưới các điều kiện hoặt động khác nhau của xe.
Kết quả nghiên cứu của đề tài có thể là cơ sở lý thuyết cho việc nghiên
cứu về hệ thống lái có trợ lực bằng thuỷ lực, đồng thời mở ra một hướng tiếp
cận mới về việc khảo sát hệ thống bằng cách xây dựng các mô hình mô phỏng
hệ thống lái nói riêng và các hệ thống thuỷ lực nói chung.
Đề tài nghiên cứu đã nhận được sự động viên, cổ vũ và chỉ bảo tận tình
của Thầy TS. Trần Xuân Bộ và các Thầy trong bộ môn Ôtô - Xe chuyên dùng
Viện Cơ khí Động lực Trường ĐHBK Hà nội, cùng vớí các ý kiến đóng góp của

x


đồng nghiệp. Tôi xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ quý báu đó để bản luận văn
của tôi được hoàn thành và đạt kết quả.
Do còn nhiều hạn chế về mặt chuyên môn, điều kiện thực tế và thời gian
nghiên cứu nên nội dung của đề tài không tránh được các thiếu sót rất mong
nhận được các nhận xét và góp ý của các Thầy trong Viện Cơ khí Động lực và
đồng nghiệp để luận văn ngày càng hoàn thiện hơn.
Hà nội, ngày tháng năm 2016

Tác giả

Vũ Hoàng Sơn

xi


CHƢƠNG I
GIỚI THIỆU
1. 1. Đặt vấn đề
Để phục vụ quá trình công nghiệp hoá - hiện đại hoá đất nước, giao thông
vận tải nói chung và giao thông đường bộ nói riêng đóng vai trò rất quan trọng.
Vì vậy nhà nước đã đưa ra chính sách ưu tiên phát triển cho ngành công nghiệp
ô tô. Để có nền công nghiệp ô tô phát triển đòi hỏi phải phát triển được các
ngành công nghiệp phụ trợ đặc biệt là lĩnh vực sản xuất linh kiện và phụ tùng
ôtô.
Trên thực tế sau 20 năm mở cửa nền kinh tế và đổi mới chính sách chúng
ta mới chỉ xây dựng được các nhà máy sản xuất ô tô dựa trên việc nhập khẩu
phụ kiện và công đoạn sản xuất chủ yếu là lắp ráp nên trình độ sản xuất và khả
năng cạnh tranh trên thị trường còn bị rất nhiều hạn chế. Từ thực tế đặt ra nhu
cầu rất lớn cho các doanh nghiệp và các tổ chức nghiên cứu nhanh chóng đẩy
mạnh việc nội địa hoá phụ tùng và các linh kiện ô tô.
Mặt khác, cùng với sự gia tăng về số lượng, chủng loại ô tô đòi hỏi các
Trường đào tạo cung cấp cho thị trường lao động ngày càng nhiều các kỹ thuật
viên có chất lượng tốt để phát triển hệ thống dịch vụ sau bán hàng, bảo dưỡng và
sửa chữa ô tô. Do đó rất cần thiết phải nghiên cứu và đào tạo về lý thuyết đồng
thời phải đẩy mạnh việc trang bị công nghệ để chế tạo và thử nghiệm các hệ
thống và cụm chi tiết trên ôtô.
Hệ thống lái ô tô có vai trò thay đổi hướng chuyển động hoặc giữ cho ô tô
chuyển động theo một quỹ đạo xác định nào đó, nên nó có cả chức năng điều

khiển linh hoạt và chức năng đảm bảo an toàn cho ô tô. Nó là một trong những
cụm tổng thành chính của ôtô. Để đáp ứng các chức năng trên yêu cầu hệ thống
lái phải đạt được các nội dung sau:
- Quay vòng ô tô thật ngoặt trong một thời gian rất ngắn trên một diện tích
rất bé và động học quay vòng phải đúng để các bánh xe không bị trượt khi quay
vòng.
1


- Điều khiển lái phải nhẹ nhàng thuận tiện tránh được các va đập truyền từ
mặt đường qua bánh dẫn hướng lên vành lái.
- Giữ được chuyển động thẳng ổn định.
Để cải thiện điều kiện làm việc cho người lái xe hầu hết trên các ô tô hiện
nay đều trang bị hệ thống thuỷ lực dẫn động điều khiển và trợ lực lái. Hệ thống
này có chức năng làm giảm lực điều khiển trên vành tay lái và tăng tính an toàn
của hệ thống điều khiển lái.
Việc nghiên cứu động lực học các hệ thống dẫn động cơ khí thuần tuý đã
gặp nhiều khó khăn thì việc nghiên cứu các hệ thống thuỷ lực là một trong
những vấn đề rất phức tạp do các quá trình vật lý xảy ra trong hệ thống khi làm
việc. Mặt khác, đề đáp ứng được yêu cầu của tải thì các quá trình xảy ra là các
quá trình phi tuyến, và hàm mô tả thường là các hàm nhiều biến ở dạng hàm ẩn
hoặc biến đổi không theo quy luật ổn định, vì dùng chất lỏng dẫn động nên có
nhiều loại tổn thất ảnh hưởng không tốt tới đặc tính làm việc của toàn bộ hệ
thống.
Từ các yêu cầu trên đòi hỏi các nhà khoa học và chuyên gia kỹ thuật
nghiên cứu tìm ra các phương pháp tính toán động lực học quay vòng và tính
toán hệ thống trợ lực thuỷ lực để khắc phục hiện tượng mất ổn định của hệ thống
như hiện tượng dao động bánh xe dẫn hướng, sai lệch điều khiển ở tốc độ cao do
trượt ngang, mòn lốp…
Để sử dụng và khai thác có hiệu quả tất cả các tính năng của hệ thống trợ

lực lái, việc nghiên cứu và nắm vững hệ thống điều khiển thuỷ lực là rất cần
thiết, nội dung này đã được các trường đào tạo đưa vào nghiên cứu giảng dạy
nhiều năm qua. Nhưng nhìn chung hiệu quả còn chưa cao và có những khó khăn
chung là: tài liệu tham khảo còn ít, điều kiện thực hành thí nghiệm còn bị hạn
chế, thiếu các mô hình học cụ phục vụ cho công tác đào tạo và nghiên cứu. Kết
quả kiến thức tiếp thu được còn có khoảng cách rất xa với thực tiễn.

1.2. Tình hình nghiên cứu về hệ thống lái trên thế giới
Việc nghiên cứu và chế tạo hệ thống lái nói chung và hệ thống lái
trên ô tô nói riêng đã được rất nhiều nhà khoa học trên thế giới thực hiện từ
nhiều năm qua. Hiện nay hệ thống này đã rất hoàn thiện về kết cấu cũng như
tính năng điều khiển dẫn động lái hai bánh dẫn hướng và nhiều bánh dẫn
2


hướng. Đặc biệt người ta đã nghiên cứu ứng dụng và chế tạo thành công hệ
thống điều khiển lái điện tử có khả năng lái xe tự động trên loại đường đặc
biệt. Ngoài ra hướng nghiên cứu về hệ thống điều khiển lái hiện nay trên thế
giới là:
- Xây dựng các phần mềm mô phỏng hoạt động và kiểm tra các chỉ tiêu
động lực học và chỉ tiêu ổn định để tối ưu hoá các kết cấu của hệ thống lái
phù hợp với từng loại xe.
- Xây dựng các mô hình thử nghiệm hệ thống lái ở dải tốc độ cao để khảo
sát ổn định hướng chuyển động của ô tô dưới tác động của cản gió ngang
và tác động của mặt đường.
- Thí nghiệm và khảo sát sự ảnh hưởng làm việc của hệ thống phanh và hệ
thống treo tới các chỉ tiêu chất lượng của hệ thống lái nhằm đồng bộ hóa
các kết cấu giúp tăng cường độ tin cậy làm việc của ôtô.
- Nghiên cứu ứng dụng công nghệ thông tin và công nghệ điện tử vào việc
hoàn thiện các kết cấu và tối ưu hoá tính năng điều khiển tiến tới mục tiêu

thiết kế chế tạo hệ thống lái thông minh có khả năng thích ứng cao với các
điều kiện môi trường và đường giao thông hiện đại.
Do đó tất cả các tập đoàn sản suất ô tô lớn trên thế giới đều có quan hệ
mật thiết với các trung tâm nghiên cứu để xây dựng và thử nghiệm các phần
mềm thiết kế chuyên dụng cho các hệ thống trên ô tô đồng thời thúc đẩy quá
trình nghiên cứu, sáng tạo nhằm ngày càng hoàn thiện về mặt công nghệ và kỹ
thuật.

1.3. Tình hình nghiên cứu về hệ thống lái trong nƣớc
Với sự phát triển nhanh về khoa học kỹ thuật và công nghệ thông tin, cùng
với xu hướng toàn cầu hoá đã tạo điều kiện thuận lợi cho các công trình nghiên
cứu về thuỷ lực và hệ thống điều khiển thuỷ lực nói chung và hệ thống lái ôtô
nói riêng có những bước tiến vượt bậc.

3


Đã có nhiều công trình nghiên cứu ứng dụng thành công vào thực tiễn góp
phần cải thiện điều kiện nghiên cứu, đào tạo và sản xuất. Đặc biệt các chuyên
gia đã tập trung vào việc ứng dụng các phần mềm chuyên dụng như Alaska,
ANSYS, SIMULINK, AUTOMATION STUDIO.. có thể mô phỏng các hệ
thống điều khiển thuỷ lực đặc biệt là lĩnh vực nghiên cứu về hệ thống phanh trên
ô tô, hệ thống điều khiển xe quân sự máy công trình và thuỷ lợi.
Các công trình đã nghiên cứu về hệ thống lái gồm có:
- Công trình nghiên cứu của GS. TSKH Đỗ Sanh về động học, động lực học
quay vòng xe ở tốc độ cao.
- Công trình nghiên cứu của PGS. TS Nguyễn Khắc Trai về lý thuyết quay
vòng và các yếu tố ảnh hưởng đến chỉ tiêu ổn định khi quay vòng đã đề
cập trong luận án tiến sỹ và cuốn giáo trình “Tính điều khiển và quỹ đạo
chuyển động của ôtô” xuất bản năm 1997.

- Công trình nghiên cứu của TS Lê Hồng Quân và TS Nguyễn Xuân Thiện
trong khuôn khổ đề tài cấp nhà nước KHCN-05-09 về nghiên cứu thử
nghiệm thành công bộ trợ lực lái thuỷ lực do Việt nam chế tạo áp dụng cho
xe xích T55.
- Công trình nghiên cứu của TS Nguyễn Thanh Quang về nghiên cứu động
học, động lực học và độ bền hệ thống lái trên ôtô MEKÔNG STAR.
- Công trình nghiên cứu của ThS Vũ Cao Điền về nghiên cứu tính toán ổn
định lật cho xe tải nhỏ bằng đồ thị quỹ đạo pha của hệ thống lái.
- Công trình nghiên cứu của ThS Nguyễn Hồng Vũ về nghiên cứu tính toán
động lực học quay vòng cho bánh xe dẫn hướng…

1. 4. Lý do lựa chọn đề tài
Trong quá trình học tập tại Trường ĐHBK Hà Nội tôi nhận thấy rằng việc
nghiên cứu tính toán và giảng dạy về hệ thống lái ô tô trên lý thuyết và trong
thực tiễn còn nhiều điểm hạn chế do các lý thuyết trước đây đã có những điểm
4


không phù hợp với các kết cấu hiện đại do dải tốc độ của ôtô hiện nay đã được
cải thiện vượt bậc đạt trên ngưỡng > 200 km/h, đòi hỏi phải có cơ sở lý thuyết
khảo sát mới. Việc khảo sát các yếu tố gây mất ổn định của hệ thống thuỷ lực
bằng thực nghiệm là điều rất khó khả thi về kinh phí cũng như điều kiện thí
nghiệm không cho phép đặc biệt là các trang tiết bị đo lường ở Việt nam còn rất
hạn chế và không đồng bộ. Thêm vào đó, xu hướng hiện đại là ứng dụng công
nghệ thông tin thông qua các phần mềm tính toán, mô phỏng vào việc nghiên
cứu hệ thống thuỷ lực nói chung và hệ thống lái nói riêng. Do đó, luận văn này
được đề xuất để nghiên cứu lý thuyết về động lực học của hệ thống lái trợ lực
thủy lực sử dụng phần mềm MATLAB/SIMULINK nhằm hiểu rõ hệ thống lái
trợ lực thủy lực.

1.5. Mục tiêu của đề tài
Nhiệm vụ đặt ra của đề tài là nghiên cứu xây dựng lý thuyết mô hình toán
học hệ thống lái ôtô có trợ lực thuỷ lực, từ đó ứng dụng khảo sát động lực học hệ
thống và có kết luận về các yếu tố ảnh hưởng đến động lực học và tính ổn định
làm việc của hệ thống dưới các điều kiện hoạt động khác nhau.
Kết quả của đề tài là cơ sở nghiên cứu tiến tới hoàn thiện mô hình mô
phỏng hệ thống lái từ đó ứng dụng vào việc khảo sát động học tính toán kiểm
nghiệm, đồng thời làm tài liệu tham khảo cho những hướng nghiên cứu sau này.

1.6. Phạm vi nghiên cứu
Nội dung nghiên cứu của luận văn này tập trung ở ba nội dung chính sau
đây:
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về hệ thống lái và hệ thống trợ lực thuỷ lực;
- Xây dựng mô hình toán học của hệ thống lái ôtô có trợ lực thuỷ lực trong
trường hợp nói chung;
- Khảo sát động lực học hệ thống lái ôtô có trợ lực thuỷ lực dựa trên mô
hình được phát triển dưới các điều kiện hoạt động khác nhau của tải, tốc
5


độ đánh lái, áp suất nguồn từ đó đưa ra những kết luận về các nhân tố ảnh
hưởng đến tính ổn định của hệ thống.

6


CHƢƠNG 2
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LÁI VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Tổng quan về hệ thống lái [3]
2.1.1 Nhiệm vụ, phân loại, yêu cầu của hệ thống lái

a. Nhiệm vụ
Hệ thống lái của ô tô dùng để thay đổi hướng chuyển động của ô tô hoặc
giữ cho ô tô chuyển động theo một hướng nhất định.

Hình 2.1: Cấu tạo chung của hệ thống lái
b. Phân loại:
*Theo vị trí tay lái:
- Tay lái bên trái (tay lái thuận)
- Tay lái bên phải (tay lái nghịch): Anh, Nhật, Thụy Điển, …
7


* Theo số lượng bánh dẫn hướng
- Hệ thống lái với các bánh dẫn hướng ở cầu trước
- Hệ thống lái với các bánh dẫn hướng ở cầu trước và cầu sau 4WS (Hình
2.2): Đây là một thiết bị làm thay đổi hướng không chỉ của các bánh trước mà
cũng của cả các bánh sau. Khi thay đổi hướng chuyển động của xe, loại xe thông
thường thì chỉ đổi hướng các bánh trước nhưng xe 4WS cũng chuyển hướng các
bánh sau theo các yếu tố như góc quay vô lăng và tốc độ xe. Ở tốc độ trung bình
và cao, khi chuyển làn đường, lái theo một đường cong chữ S hoặc khi xe rẽ, các
bánh sau sẽ chuyển động cùng hướng với các các bánh trước để xe lái ổn định
và êm. Mặt khác khi xe chạy tốc độ không cao thì bánh sau được lái theo hướng
ngược với các bánh trước để xe quay theo góc ngoặt gấp.

Hình 2.2: Hệ thống lái với các bánh dẫn hướng ở tất cả các cầu.

* Theo kết cấu của cơ cấu lái:
- Loại trục vít - con lăn
- Loại trục vít - cung răng
- Loại trục vít - chốt quay

- Loại liên hợp
8


*Theo kết cấu của bộ trợ lực lái (cường hoá)
- Loại trợ lực bằng khí nén
- Loại trợ lực bằng thủy lực
- Loại trợ lực điện
- Loại trợ lực liên hợp
c. Yêu cầu:
Hệ thống lái phải đảm bảo các yêu cầu sau:
- Góc quay vòng lớn để có thể quay vòng trong điều kiện chật hẹp.
- Lái nhẹ và tiện dụng
- Động học quay vòng đúng để các bánh xe không bị trượt lê khi quay
vòng.
- Tránh được các va đập từ mặt đường truyền lên vành tay lái.
- Giữ được tính ổn định chuyển động thẳng.
2.1.2. Kết cấu của hệ thống lái
a. Cơ cấu lái thường
Các bánh răng trong cơ cấu lái không chỉ điều khiển các bánh trước mà
chúng còn là các bánh răng giảm tốc để giảm lực quay vô lăng bằng cách tăng
mô men đầu ra. Tỷ lệ giảm tốc được gọi là tỷ số truyền cơ cấu lái và thường dao
động giữa 18 và 20:1. Tỷ lệ càng lớn không những làm giảm lực đánh lái mà
còn yêu cầu phải xoay vô lăng nhiều hơn khi xe quay vòng.
Hiện này hầu hết các loại xe đều sử dụng hai loại cơ cấu lái (Hình 2.3):
- Loại trục vít - thanh răng
- Loại bi tuần hoàn

9

Hình 2.3: Cấu tạo của cơ cấu lái thường
b. Loại trục vít - thanh răng (Hình 2.4)
* Cấu tạo
Trục vít tại đầu thấp hơn của trục lái chính ăn khớp với thanh răng. Khi
vô lăng quay thì trục vít quay làm cho thanh răng chuyển động sang trái hoặc
phải.
Chuyển động của thanh răng được truyền tới các đòn cam qua các đầu của
thanh răng và các đầu của thanh nối.
* Đặc điểm:
- Cấu tạo đơn giản và gọn nhẹ. Do hộp truyền động nhỏ nên thanh răng
đóng vai trò thanh dẫn động lái
- Các răng ăn khớp trực tiếp nên độ nhạy của cơ cấu lái rất chắc chắn
- Ít quay trượt, ít sức cản quay và việc truyền mô men tốt hơn, vì vậy lái
nhẹ nhàng.
- Cụm cơ cấu lái hoàn toàn kín nên không cần phải bảo dưỡng.
Hiện nay thường sử dụng cơ cấu lái loại này.

10


Hình 2.4: Cơ cấu lái loại trục vít - thanh răng
c. Loại bi tuần hoàn (Hình 2.5)
* Cấu tạo
Các rãnh hình xoắn ốc được cắt trên trục vít và đai ốc bi và các viên bi
thép chuyển động lăn trong rãnh trục vớt và rãnh đai ốc. Cạnh của đai ốc bi có
răng để ăn khớp với các răng trên trục rẻ quạt
* Đặc điểm
- Do bề mặt tiếp xúc lăn của các viên bi truyền chuyển động quay của trục
lái chính nên lực ma sát trượt của đai ốc rất nhỏ.

- Cấu tạo này có thể chịu được phụ tải lớn
- Sức cản trượt nhỏ do ma sát giữa trục vít và trục rẻ quạt cũng nhỏ nhờ
có các viên bi.
- Góc hoạt động rộng.

11


Hình 2.5: Cơ cấu loại bi tuần hoàn

2.1.3 Dẫn động lái
a. Nhiệm vụ, yêu cầu
Cơ cấu dẫn động lái là sự kết hợp giữa các thanh nối và tay đòn để truyền
chuyển động của cơ cấu lái tới các bánh xe trái và phải. Thanh dẫn động lái phải
truyền chính xác chuyển động của vô lăng lên các bánh trước khi chúng chuyển
động lên xuống trong khi xe chạy.
Có nhiều loại thanh dẫn động lái và kết cấu khớp nối được thiết kế để
thực hiện yêu cầu này.
b. Cấu tạo
Cơ cấu dẫn động lái bao gồm các bộ phận (Hình 2.6): Thanh nối, Đầu
thanh nối, Đòn cam lái, Đòn quay (loại bi tuần hoàn), Thanh ngang (loại bi tuần

12


hoàn), Cam lái (loại bi tuần hoàn), Tay đòn trung gian (loại bi tuần hoàn), Thanh
kéo (loại bi tuần hoàn)

Hình 2.6. Cấu tạo chung của dẫn động lái
2.1.4. Hình thang lái

Là bộ phận quan trọng nhất của dẫn động lái. Hình thang lái có nhiệm vụ
đảm bảo động học quay vòng đúng cho các bánh xe dẫn hướng. Mục đích làm
cho các bánh xe khỏi trượt lê khi quay vòng, dẫn đến giảm sự mài mòn lốp,
giảm tổn hao công suất và tăng tính ổn định.
Hình thang lái có nhiều dạng kết cấu khác nhau (Hình 2.7). Đòn ngang 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 củng phải phù hợp với động học
bộ phận hướng của hệ thống treo, để dao động thẳng đứng của các bánh xe

13


không ảnh hưởng đến động học của dẫn động, gây ra dao động của bánh xe dẩn
hướng quanh trục quay.
Động học quay vòng đúng của các bánh xe dẫn hướng được đảm bảo nhờ
việc chọn các thông số kỹ thuật của hình thang lái và không có khe hở trong dẫn
động nhờ sử dụng các bản lề tự động khắc phục khe hở.

Hình 2.7: Sơ đồ hình thang lái

2.2. Hệ thống lái có trợ lực thủy lực
2.2.1. Giới thiệu
* Nhiệm vụ:
Để tăng khả năng lái xe, hầu hết các xe ô tô hiện đại đều có lốp rộng áp
suất thấp để tăng diện tích tiếp xúc giữa bề mặt đường và lốp xe. Do vậy đòi hỏi
lực đánh lái lớn hơn.
Nếu tăng tỷ số truyền của cơ cấu lái thì có thể giảm được lực đánh lái.
Tuy nhiên, điều này sẽ khiến phải quay vô lăng nhiều hơn khi xe quay vòng và
không thể quay góc ngoặt gấp được. Do đó để việc lái được nhạy mà lực lái nhỏ
thì cần phải có một số thiết bị trợ lực lái.

Nói cách khác, hệ thống lái có trợ lực trước đây chủ yếu sử dụng trong
các xe lớn thì ngày nay cũng được dùng cho các xe du lịch nhỏ.

14