CHƯƠNG 8 HỆ THỐNG LÁI Ô TÔ

CHƯƠNG VIII:
HỆ THỐNG LÁI
8.1. CÔNG DỤNG, PHÂN LOẠI, YÊU CẦU
8.1.1.Công dụng:
Hệ thống lái dùng để điều khiển hướng chuyển động của ô tô, thay đổi
hướng chuyển động hay là giữ nguyên hướng chuyển động của xe. Nó được thực
hiện từ trên buồng lái tới các bánh xe dẫn hưóng.
8.1.2. Phân loại hệ thống lái.
- Theo phương pháp chuyển hướng:
+ Chuyển hướng hai bánh xe trên cầu trước.
+ Chuyển hướng tất cả các bánh xe (4WD).
- Theo đặc điểm truyền lực.
+ Hệ thống lái cơ khí.
+ Hệ thống lái cơ khí có trợ lực bằng thủy lực.
+ Hệ thống lái cơ khí có trợ lực bằng điện
- Theo kết cấu của cơ cấu lái.
+ Cơ cấu lái kiểu bánh răng, thanh răng.
+ Cơ cấu lái kiểu trục vít lõm, con lăn.
+ Cơ cấu lái kiểu trục vít êcu bi, thanh răng, bánh răng.
- Theo cách bố trí vành tay lái.
+ Vành tay lái bên trái.
+ Vành tay lái bên phải.
8.1.3.Các yêu cầu cơ bản của hệ thống lái.
- Tính linh hoạt tốt: Khi xe quay vòng trên đường gấp khúc và hẹp thì hệ
thống lái phải xoay được bánh trước chắc chắn, dễ dàng và êm.
- Lực lái thích hợp: Để lái dễ dàng hơn và thuận lợi trên đường đi thì nên chế
tạo hệ thống lái nhẹ hơn ở tốc độ thấp và nặng hơn ở các tốc độ cao.
- Phục hồi vị trí êm: Trong khi xe đổi hướng, lái xe phải giữ vô lăng chắc
chắn. Sau khi đổi hướng, sự phục hồi – nghĩa là quay bánh xe trở lại vị trí chạy
thẳng – phải diễn ra êm khi lái xe thôi tác động lực lên vô lăng.
- Giảm thiểu truyền các chấn động từ mặt đường lên vô lăng: Không để

71


mất vô lăng hoặc truyền ngược chấn động khi xe chạy trên đường gồ ghề.
Đảm bảo phù hợp hệ thống lái và hệ thống treo về mặt động học và mặt động
lực học
- Có giá thành thấp:mỗi một sản phẩm khi thiết kế và chế tạo cần phải phù
hợp với thi trường một trong các yếu tố đó là giá thành.giá thành thấp mà chất
lượng không đổi thì sẽ được dùng phổ biến hơn.
8.1.4. Sơ đồ kết cấu chung của hệ thống lái
Hệ thống lái là hệ thống điều khiển hướng chuyển động của xe. Nó có tác
dụng là dùng để thay đổi hướng chuyển động nhờ quay các bánh xe dẫn hướng
cũng như để giữ hướng chuyển động thẳng hoặc cong của ôtô khi cần thiết. Trong
quá trình chuyển động hệ thống lái có ảnh hưởng lớn đến sự an toàn chuyển động
nhất là ở tốc độ cao do đó hệ thống lái không ngừng được hoàn thiện.
Cấu tạo của hệ thống lái miêu tả (hình 5.1) và bao gồm các bộ phận chính sau
đây: vành lái, trục lái, cơ cấu lái, các đòn dẫn động lái, bánh xe dẫn hướng.
Vành lái nhận lực từ cánh tay người điều khiển để tạo ra chuyển động quay
vòng của nó và truyền mômen xoắn tới trục lái.

72


Trục lái bao gồm trục lái chính truyền chuyển động quay của vô lăng tới cơ

1. Vành lái.
2. Trục lái.
3. Đòn quay.
4. Hộp cơ cấu lái.
5. Đòn kéo dọc.

6. Đòn ngang liên kết.
7.Đòn dẫn bánh xe.
8. Đòn ngang bên.

Hình 8.1. Sơ đồ cấu trúc hệ thống lái

9. Trục bánh xe.
cấu lái và ống đỡ trục lái để cố định trục lái chính vào thân xe. Đầu phía trên của
trục lái chính được làm thon và xẻ hình răng cưa và vô lăng được xiết vào trục lái
bằng một đai ốc.
Tại cơ cấu lái nhận mômen từ trục lái và thay đổi tỷ số truyền cơ cấu lái để
đưa tới các thanh dẫn động lái.
Thanh 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.
8.2. CƠ CẤU LÁI
8.2.1. Các thông số cơ bản
Khi phân tích và đánh giá hệ thống lái, thường quan tâm đến các yêu
cầu sau đây:
- Khả năng đảm bảo tỷ số truyền hợp lý.
- Kết cấu đơn giản, giá thành thấp, tuổi thọ cao.
- Hiệu suất thuận và hiệu suất nghịch.

73


- Độ dơ của cơ cấu lái nhỏ.
- Chiếm ít không gian và dễ dàng tháo lắp, điều chỉnh.
8.2.2. Các cơ cấu lái thông dụng
a. Cơ cấu lái bánh răng – thanh răng.
Cơ cấu lái kiểu này hiện nay có mặt phổ biến trên các loại xe có 4 ÷ 5

chỗ ngồi. Có hai dạng cấu tạo cơ bản:
- Thanh răng liên kết với đòn ngang bên qua ổ bắt bu lông.
- Thanh răng liên kết với đòn ngang bên ở hai đầu thanh răng.

Hình 8.2. Cơ cấu lái bánh răng thanh răng
1. Đòn ngang bên phải 2. Đòn ngang bên trái
3. Thanh răng
4. Lò xo
5.Bọc cao su
6. Trục bánh răng
7. Khớp nối trục lái

Bánh răng có cấu tạo răng nghiêng, đầu dưới lắp trên ổ thanh lăn kim,
đầu trên lắp ổ bi cầu. Êcu rỗng trong đó có phớt che bụi đảm bảo bánh răng
quay nhẹ nhàng. Vì bánh răng có kích thước nhỏ nên được chế tạo liền trục.
Thanh răng nằm dưới bánh răng có cấu tạo răng nghiêng. Thanh răng
chuyển động tịnh tiến trên hai bạc trượt. Cụm bạc trượt có dạng tiết diện
vành khăn nằm bên phải, cụm bạc trượt nửa vành khăn nằm ở dưới bánh
răng. Bạc trượt nửa vành khăn có lò xo trụ tỳ chặt và được điều chỉnh
thường xuyên trong sử dụng thông qua êcu điều chỉnh. Êcu điều chỉnh nằm
dưới cơ cấu lái. Giữa bạc trượt này và êcu điều chỉnh luôn tồn tại khe hở để
đảm bảo tác dụng của lò xo tỳ. Trên êcu điều chỉnh có ốc khóa chặt để tránh
tự nới lỏng ốc điều chỉnh. Cơ cấu lái đặt trên vỏ xe, để tạo góc ăn khớp lớn
cho bộ truyền răng nghiêng. Bánh răng đặt nghiêng ngược chiều nghiêng
của thanh răng, nhờ vậy hệ số trùng khớp của bộ truyền lớn làm việc êm, và
phù hợp với việc bố trí vành lái trên xe.
74


Bộ truyền được bôi trơn bằng mỡ, hai đầu vỏ có nắp tôn bao kín,. Hai

đầu thanh răng có lắp các khớp nối đòn ngang bên. Vỏ cơ cấu lái bắt với vỏ
xe nhờ hai ụ cao su đặt ở hai đầu cơ cấu lái.
b. Cơ cấu lái trục vít – con lăn (globoit)

1. Cácte của cơ cấu
4. Miếng lót
7. Vòng đệm chặn
10. trục lái

Hình 8.3. Cơ cấu lái trục vít con lăn
2. Trục của đòn quay đứng
3. Con lăn ba răng
5. Trục vít
6. Nút
8. Đai ốc mũ
9. Trục con lăn
11. Vít điều chỉnh
12. Chốt hãm

13. Vòng phớt
14. Đòn quay đứng
16. Ống lót bằng đồng thanh

15.Đai ốc

Đặc điểm cơ bản của cơ cấu lái loại này là sử dụng trục vít lõm
(globoit) và con lăn ăn khớp.
Trục vít lõm được bắt với vành lái thông qua trục lái và trục các đăng.
Trục vít ép căng với trục và quay trên hai ổ bi. Ổ bi có thể điều chỉnh độ dơ
nhờ các căn đệm điều chỉnh. Phớt che bụi chắn dầu. Dạng trục vít lõm cho

phép thay đổi tỷ số truyền của cơ cấu lái. Sự thay đổi này không lớn (khoảng
10%), ở vị trí trung gian, tỷ số truyền lớn nhằm giảm nhẹ lực đánh tay lái, ở
các vị trí biên, tỷ số truyền nhỏ, lực đánh lái lớn, nhưng có thể điều chỉnh
góc quay bánh xe nhanh chóng. Con lăn ăn khớp với trục vít và có thể lắc
trên trục để tạo nên chuyển động quay của trục này. Con lăn quay trơn trên
trục nhằm giảm ma sát khi hoạt động. Giữa con lăn và trục có ổ bi kim. Trục
đặt trên nạng (đồng thời là trục bị động). Trục bị động đặt trên bạc tựa dài và
được hạn chế dọc trục nhờ ốc giữ và ốc điều chỉnh. Phớt chắn dầu và che bụi
75


cho trục bị động. Đầu ngoài trục bị động dạng hình côn nhỏ có then tam giác
để lắp đòn quay đứng dẫn động các đòn của hệ thống lái. Để giữ chặt đòn
đứng với trục quay nhờ đệm vênh và êcu. Vị trí tương đối của con lăn và
trục vít được xác định nhờ ốc điều chỉnh đặt trên nắp của cơ cấu lái. Giữa
tâm con lăn và tâm trục vít có độ lệch, khi sử dụng chỗ ăn khớp bị mòn, có
thể đẩy sâu con lăn vào trục bị động tạo nên khả năng ăn khớp mới với độ
dơ nhỏ. Vỏ của cơ cấu lái có các lỗ để bắt trên giá của xe. Trên nắp có một
lỗ đổ dầu và xác định mức dầu trong cơ cấu lái
Loại cơ cấu lái trục vít con lăn thường được lắp trên xe con có cầu sau
chủ động và xe tải lớn, có tỷ số truyền thay đổi, hiệu suất thuận lớn hơn hiệu
suất nghịch đảm bảo giảm va đập từ bánh xe truyền lên vành lái. Khe hở bên
trong cơ cấu lái nhỏ ở vùng trung gian, còn ở các biên, khe hở bên lớn tránh
kẹt cơ cấu lái khi vùng trung gian bị mòn. Cơ cấu có độ bền mòn cao, khả
năng làm việc tốt nên dùng cho xe có khả năng cơ động cao.
c. Cơ cấu lái loại bi tuần hoàn (trục vít êcu bi – thanh răng bánh răng)
Cơ cấu lái loại này được dùng cho các xe loại lớn có hoặc không có trợ
lực, trên xe nhỏ ít dùng hơn.
Cấu tạo của nó bao gồm: Trục vít quay xung quanh tâm và êcu ôm
ngoài trục vít thông qua các viên bi ăn khớp, tạo nên bộ truyền trục vít – êcu.

Bên ngoài êcu có các răng dạng thanh răng. Các răng của bánh răng (một
phần bánh răng) ăn khớp với thanh răng, tạo nên bộ truyền thanh răng –
bánh răng. Như vậy khi trục vít (đóng vai trò chủ động ) quay, êcu thanh
răng chuyển động tịnh tiến, bánh răng quay theo (đóng vai trò bị động).
Hộp cơ cấu lái
Ổ bi tiếp xúc góc
Ê cu
Trục vít
Trục vành rẻ quạt
Vành rẻ quạt
Bi
76

Hình 8.4. Cơ cấu lái trục vít êcu bi - thanh răng bánh răng


Trục vít đặt trên hai ổ bi cầu và được điều chỉnh nhờ êcu 3. Các viên bi
nằm trên hai nửa rãnh của trục vít và của êcu. Nhờ các viên bi lăn trong rãnh
nên giảm ma sát đáng kể trên cơ cấu. Các viên bi được hoạt động theo vòng
kín nhờ các rãnh dẫn bi. Kết cấu trục vít êcu bi có độ bền cao và không phải
điều chỉnh. Thanh răng là mặt ngoài của êcu ăn khớp với bánh răng. Các
răng được chế tạo không đều, một đầu to một đầu nhỏ. Bánh răng chế tạo
liền trục có số lượng răng ít, profin răng thân khai, răng thẳng dạng côn.
Nhờ cấu tạo răng thanh răng và răng bánh răng côn ngược chiều nên sau khi
cơ cấu bị mòn cho phép điều chỉnh được khe hở. Trục bánh răng đặt trên hai
ổ bi kim nằm trong vỏ và nắp. Đầu trục bánh răng có xẻ rãnh để đặt bulông
tỳ lên trục. Êcu hãm nằm ngoài nắp cố định vị trí của trục bị động. Nhờ kết
cấu này có thể điều chỉnh sự ăn khớp của thanh răng và bánh răng. Đầu
ngoài của trục bị động có then tam giác ở dạng côn để lắp với đòn quay của
dẫn động lái. Toàn bộ cơ cấu làm việc trong dầu

8.3. DẪN ĐỘNG LÁI
Dẫn động lái các bánh xe dẫn hướng được gọi là “dẫn động lái”. 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 dẫn hướng. 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.
8.3.1. Kết cấu
Để thỏa mãn điều kiện không bị trượt bánh xe sau thì tâm quay vòng
phải nằm trên đường kéo dài của tâm cầu sau, mặt khác các bánh xe dẫn
hướng phải quay theo các góc α (đối với bánh xe ngoài); β (đối với bánh
xe trong). Quan hệ hình học được xác định theo biểu thức:
cotgα ∙cotgß = B/L
Trong đó:
77


B- Khoảng cách của hai đường tâm trụ đứng trong mặt phẳng đi qua
tâm trục bánh xe và song song với mặt đường.
L- Chiều dài cơ sở của xe.

Hình 8.5. Cơ cấu 4 khâu có dầm cầu liền
a. Đòn ngang liên kết nằm sau dầm cầu
b. Đòn ngang liên kết nằm trước dầm cầu

8.3.2. Động học hình thang lái
Để đảm bảo điều kiện này, trên xe sử dụng cơ cấu bốn khâu có tên là
hình thang lái Đantô. Cơ cấu bốn khâu đặt trên cầu trước có dầm cầu liền có
hai dạng như trên. Cấu tạo của chúng bao gồm: dầm cầu cứng đóng vai trò
một khâu cố định, hai đòn bên dẫn động các bánh xe, đòn ngang liên kết hai

đòn bên bằng khớp cầu (rôtuyn). Các đòn bên quay xung quanh đường tâm

Hình 8.6. Cơ cấu đòn ngang nối liên kết trên hệ thống treo độc lập
a. Đòn ngang nối nằm sau dầm cầu
b. Đòn ngang nối nằm trước dầm cầu
78


trụ đứng. Khi đòn ngang liên kết nằm sau dầm cầu, phương pháp bố trí như
sau.
Trên hệ thống treo độc lập, số lượng đòn và khớp tăng lên nhằm đảm
bảo các bánh xe dịch chuyển độc lập. Số lượng đòn tăng lên tùy thuộc vào
kết cấu của cơ cấu lái, vị trí bố trí cơ cấu lái, không gian cho phép bố trí
đòn, khớp, độ cứng vững của kết cấu… nhưng vẫn đảm bảo quan hệ hình
học của Akerman, tức là gần đúng với cơ cấu Đantô.
8.4. TRỢ LỰC LÁI
8.4.1 Bố trí chung
Trợ lực của hệ thống lái có tác dụng làm giảm nhẹ cường độ lao động
của người lái, giảm mệt mỏi khi xe hoạt động trên đường dài. Ý nghĩa của
tác dụng này trên xe con không lớn lắm, tuy nhiên trên xe cao tốc cần thiết
bố trí trợ lực còn nhằm nâng cao an toàn chuyển động khi có sự cố lớn ở
bánh xe ( nổ lốp, hết khí nén trong lốp…) và giảm va đập truyền từ bánh xe
lên vành lái.
Xe con bố trí trợ lực lái dạng thủy lực với kết cấu gọn. Hệ thống trợ lực
lái là một hệ thống tự nhiên điều khiển, bởi vậy nó bao gồm: nguồn năng
lượng (NNL), van phân phối (VPP) và xilanh lực (XLL). Tùy thuộc vào việc
sắp xếp các bộ phận trên vào hệ thống lái có thể chia ra:VVP, XXL đặt
chung trong cơ cấu lái.
- VPP nằm trong cơ cấu lái, còn XLL nằm riêng.
- VPP, XLL đặt thành một cụm, tách biệt với cơ cấu lái.

- XLL nằm chung vơi cơ cấu lái, còn VPP nằm riêng.
- VPP, XLL, cơ cấu lái đặt riêng biệt với nhau.
8.4.2. Một số hệ
thống lái trợ lực
a. Hệ thống lái trợ
lực thuỷ lực

79


Hinh 8.7. Hệ thống lái trợ lực thuỷ lực

Hoạt động của hệ thống lái có trợ lực là sử dụng công suất của động
cơ để dẫn động bơm trợ lực lái tạo áp suất thuỷ lực. Khi xoay vô lăng, sẽ
chuyển mạch một đường dầu tại van điều khiển.Vì áp suất dầu đẩy pitông
trong xy lanh trợ lực lái. Lực cần đẩy vô lăng để điều khiển sẽ giảm. Chính
vì vậy phải thường xuyên kiểm tra dầu trợ lực lái.
b. Hệ thống lái trợ lực thuỷ lực - điện

Hinh 8.8. Hệ thống
lái trợ lực thuỷ lực
-điện EHPS

Nhìn chung một hệ thống lái có trợ lực sử dụng động cơ để dẫn động
bơm trợ lực tạo áp suất thuỷ lực. EHPS là một hệ thống lái có trợ lực sử
dụng mô tơ để tạo áp suất thuỷ lực và giảm lực cần thiết để điều khiển vô
lăng .Do đó hệ thống này giảm phụ tải trong động cơ làm giảm nhiên liệu
.ECU kiểm soát tốc độ của môtơ theo các thông số như tốc độ xe và góc
quay của vô lăng.
5.2.5. Hệ thống lái trợ lực phi tuyến tính mới

80


Hình 8.9. Hệ
thống lái trợ lực
thuỷ lực

81