Thiết kế môn học kết cấu tính toán ô tô thiết kế hệ thống lái

Thiết kế hệ thống lái
Những số liệu ban đầu
Đề số: 6
Loại ô tô : xe khách con
Loại cơ cấu lái : trục vít con lăn, tỉ số truyền I c =
20,5.
Bánh xe có kí hiệu : 8,25 - 20
Tải trọng lên bánh xe dẫn hớng : Z = 1550 ( kG )
Chiều dài cơ sở của ô tô: L = 3700 (mm)
ChiỊu réng c¬ së :B = 1630 (m m)
HƯ thống treo phụ thuộc
I.Những yêu cầu cơ bản đối với hệ thống lái
1. đảm bảo tính năng vận hành cao của ô tô nghĩa là có
khả năng quay
vòng nhanh và ngoặt trên
nhng đờng có diện tích giới hạn
2. Nhẹ nhàng trong việc điều khiểncả khi quay vòng tại chỗ
và khi chuyển động . lực trên vành tay lái khi quay vòng các
bánh xe dẫn hớng tại chỗ trên mặt đờng bê tông nhựa khô
không đợc quá 16 20 KG
3. Phải có động học quay vòng đúng có nghĩa là khi quay
vòng tất cả các bánh xe chỉ lăn mà không bị trợt.
4. Truyền tối thiểu những va đập nghịch đảo lên vành tay
lái.
5. Các bánh xe dẫn hớng có khả năng quay về vị trí ban
đầuvà giữ đợc chuyển động đà cho của ô tô.
6 Chính xác về tính chất tuỳ động và động lực học nghĩa
là đảm bảo sự phối hợp chặt chẽ giữa sự tác động của hệ
thống lái và sự quay vòng của các bánh xe dẫn hớng.
7 Có độ bền lâu và độ tin cậy cao.
8.Thuận tiện trong sử dụng và bảo dỡng.

9 Không có những khe hở lớn trong hệ thống lái.

1


Bố trí chung của hệ thống lái

1: Vành tay lái
2: Trục lái
3: Cơ cấu lái
4: Đòn quay đứng
5: Thanh kéo
6: Đòn quay ngang
7: Thanh lái
8: Cam quay ( gắn liền víi b¸nh xe
dÉn híng)

2


9: Trụ đứng ( cố định với dầm cầu
dẫn hớng)

II Chọn những thông số chủ yếu và tính động học dẫn
động lái
Nhiệm vụ tính động học dẫn động lái là xác định
những thông số tối u của hình thang lái , động học quay
vòng đúng và chọn những giá trị cần thiết của tỉ số
truyền dẫn động lái.
Theo lý thuyết quay vòng để nhận đợc sự lăn không trợt

của các bánh xe dẫn hớng khi quay vongf thìhệ thống lái
phải bảo đảm mối quan hệ sau đây của các góc quay của
bánh xe dẫn hớng bên nhoài và bên tróngo với tâm quay
vòng.
cotg - cotg = B/L

(1)

B = 163,0 cm : là khoảng cách giữa đờng tâm trụ đứng
đo trên mặt phẳng hình thang lái .
L = 370,0 cm : chiều dài cơ sở của ô tô.
Với = 00 - 450 ta lập đợc đờng cong lý thuyết biểu thÞ
mèi quan hƯ
 = f ()
 = arccotg(B/L + cotg)
 : góc quay của bánh xe dẫn hớng phía bên
trong.
: góc quay của bánh xe dẫn hớng pkía bên
ngoài.
Ta chọn sơ bộ thông số của hìnhthang lái:
+ chiều dài đòn bên hình thang lái
m = 0,15 * B = 0,15 * 163,0 = 24,45 (cm)
Tõ quan hƯ h×nh häc của hình thang lái chúng ta rút ra
mối quan hệ giữa góc quay bánh xe dẫn hơng bên ngoài và
bên trong:

3


 = f (,m,)

   arctg

(2)

m * cos(   )
m  2 * B * sin   2 * m * sin   B * sin(   )
 arcsin
B  m * sin(   )
B  m  2 * B * sin(   )

víi  = 900-  = 150 - 350
 : là góc giữa đòn bên hình thang lái và mặt
thẳng dọc của ô tô.
: là góc giữa đòn bên và dầm cầu dẫn hớng.
= 600 - 700
ở biểu thức trên là một tham số , với mỗi gía trị của ta
có một đờng cong nhất ®Þnh ( theo biĨu thøc 2).Ta vÏ hä ®êng cong này trên cùng một hệ toạ độ với đờng cong lý
thuyết 1.Trong đó có một đờng cong nằm sát đờng cong lý
thuyết 1 mà sai lệch giữa chúng chỉ là 1 0 , ứng với đờng
cong trên ta có = 200
Từ đó ta xác định đợc chiều dài thanh ngang của hình
thang lái
n = B 2*m*sin = 163 – 2*24,45*sin20o =
141,1 (cm)
Víi hƯ thèng treo phơ thc ta chọn sơ đồ hình thang lái
nh sau:

4

đặc tính của hình thang lái ứng với

góc tối u.


0
5
10
15
20
25
30
35
40
45


lý  thùc
thuyÕt
tÕ
0
0
5,22
5,23
11
11
16,5
16,2
21
22

26
26
32
39,6
40
44
56
58
65
68

5


III.Tính toán các chi tiết của hệ thống lái.
1.Xác định tû sè trun cđa hƯ thèng l¸i.
Tû sè trun cđa hệ thống lái (tỷ số truyền động
học)bằng tỷ số góc quay của trục vành tay lái và góc quay tơng ứng của can quay.Tỷ số truyền này một mặt cần phải
đủ lớn để ứng với một lực nhât định nào đó tác động vào
vành tay lái sẽ làm quay đợc các bánh xe dẫn hớng trong
những điều kiện nặng nhọc nhất, đó là khi quay vòng tại
chỗ trên mặt đờng nhựa(hoặc bê tông)khô và chở đủ tải.
Mặt khác tỷ số truyền của hệ thống lái không đợc quá lớn
để không làm ảnh hởng tới tính năng vận hành của ô tô.
Tỷ số truyền của hệ thống lái biểu thị bằng tích số
giữa tỷ số truyền của cơ cấu lái (từ trục lái tới trục đòn quay
đứng) và tỷ số truyền của dẫn động lái(từ trục đòn quay
đứng tới các cam quay).

6

i = ic*id = 20,5*1,17 = 24
Trong ®ã:
ic = 20,5: là tỷ số truyền của cơ cấu lái
id : là tỷ số truyền của dẫn động lái, đợc xác
định bằng tỷ số giữa chiều dài các đòn nối với thanh kéo
dọc
id

ln
ld

ln= m = 24,45 (cm): chiều dài đòn bên hình thang
ld= 21 (cm): chiều dài đòn quay đứng
2.Xác định chế độ tải trọng
Mô men cản quay vòng ở các bánh xe dẫn hớng đợc xác
định khi ô tô quay vòngtrên mặt đờng nhựa khô và chở
đủ tải. Mô men cản quay vòng đợc xác định ứng với thời
điểm bắt đầu trợt lết của các bánh xe dẫn hớng và trị số
của nó là không đổi theo góc quay bánh xe.Mô men cản
bao gồm :
Mô men cản lăn M1
Mô men cản M2 gây ra sự trợt bên của bánh xe dẫn
hớng với mặt đờng
- M3: mô men cản ổn định các bánh xe dẫn hớng
M1= Gbx*f*a (kG*cm)
M1: momen cản lăn.
Gbx= Z = 1550(kG): trọng lợmg tác dụnglên một bánh xe
dẫn hớng

f = 0,018: hệ số cản lăn
a= 60 (mm): tay đòn của lực cản lăn đối với trụ đứng
của hình thang lái
M2=Gbx**x=Gbx**0,14*Rbx (kG*cm)
M2: mô men cản gây ra sự trợt bên của bánh xe dẫn hớng với
mặt đờng
= 0,7- 0,8: hƯ sè b¸m, chän  = 0,7

7


x: tay đòn của lực ngang đối với trụ đứng của
hình thang lái
Rbx= 50(cm): bán kính động lực học của bánh
xe đợc xác định nh sau:
Lốp có kí hiệu 209,55 - 508 tøc lµ
ChiỊu réng lèp B = 20,85 (cm)
R0 B

d
(cm)
2

Đờng kính vành bánh xe d = 50,8(cm)
Rbx= *R0 = 50(cm)
= 0,935( lốp có áp suất thấp)
ảnh hởng của mô men cản M3 đợc xác định bằng thực
nghiệm và đúc rút thành một hệ số = 1,07 – 1,15 , chän
 = 1,07
VËy m« men tỉng céng

M = 2*Gbx(f*a + 0,14*Rbx)*  (kG*cm)
=> M = 2*1550*(0,018*6 + 0,14*50)*1,07 = 23577 (kG.cm).
*Lực trên vành tay lái khi quay vòng các bánh xe dẫn hớng( khi không có cã cêng ho¸ l¸i
P max 

M
7,1( kG )
Rv * ic * idd * c * dd

Rv: bán kính vành tay l¸i
Rv = 190 – 275(mm), chän Rv= 250(mm)
ic: tû sè truyền của cơ cấu lái
idd: tỷ số truyền của dẫn động lái
c = 0,85: hiệu suất thuận của cơ cấu lái
dd = 0,65: hiệu suất của dẫn động lái( trục
vít con lăn)
3.Tính bền các chi tiết của hệ thống lái
*Lực tác dụng lên đòn quay đứng
N

P max* Rv * ic * c
7,1 * 250 * 20,5 * 0,85 / 21 14728(kG )
id

8


*Lực tác dụng lên các thanh của hình thang lái( thanh
ngang)
Q

Pp * a G1 * m1 p *  * a 1550 * 1,4 * 0,7 * 6


198,4( KG)
b
2*b
2 * 22,97

Trong đó
Pp: là lực phanh lên cầu
m1p = 1,4: hệ số phân bố lại tải trọng khi
phanh

= 0,7: hệ số bám
b = m*cos = 22,97(cm)
G1: trọng lợng tác dụng lên các bánh xe trớc
của ô tô ở trạng thái tĩnh
*Trục lái : là một ống thép rỗng, đợc tính theo xoắn bởi
mô men sinh ra do lực tác dụng của ngời lái lên vành tay


P max* Rv * D 7,1 * 25,30

266,2(kG / cm2)
0,2 *10
0,2 * ( D 4 d 4 )

lái
= 266,2(kG/cm2)< [] = 600(kG/cm2)

D: đờng kính ngoài của trục lái, chọn D = 30(mm)
d : ®êng kÝnh trong cđa trơc l¸i, chän d = 20(mm)
Gãc xoắn


2 * * L
0,04(rad )
D *G

Thoả mÃn: = 30<5,50
L: chiều dài trục lái, L=1,0(m). Vật liệu chế tạo
trục là thép Cacbon C45 để tiết kiệm vật liệu ta thay bằng
hình vành khăn rỗng với momen chống xoắn.
G: môđuyn đàn hồi dÞch chun, G=
4
2
8*10 (MN/m )

9


Pf

a

Pf

ln

Y

x

b

ld

Lực tác dụng cực đại lên vành tay lái: Pmax= 7,1(kG)
Lực tác dụng lên đòn quay đứng: N = 1472,8(kG)
Lực tác dụng lên các thanh của hình thang lái: Q = 198,4(kG)
Tay đòn cuả lực cản lăn đối với trụ ®øng: a = 6(cm)
Tay ®ßn cđa lùc ngang ®èi víi trụ đứng: x = 7(cm)
Lực ngang: Y
Lực cản lăn: Pf
n = 114,1(cm)
m= 24,45(cm)
b = 22,97(cm)
Chiều dài đòn quay đứng:lđ= 21(cm)
Chiều dài đòn quay ngang:ln= 24,45(cm)
Chiều dài trục lái: 100(cm)
1. *Thanh kéo trung gian ( tính theo nén và uốn dọc)
Các thông số của thanh:
Chiều dài: h = 76 cm
10


§êng kÝnh: D = 2,4 cm
DiÖn tÝch tiÕt diÖn: F = 0,785*D2= 4,52(cm2)
Mô men quán tính của tiết diện: J = 0,049*D 4=
1,63(cm4)

Môđuyn đàn hồi khi kéo: E = 2*106(kG/cm2)
ứng suÊt uèn däc
-

ud 

 2* E * J
613,74( kG / cm2)
l2 * F

ứng suất nén
n

Q
264,6(kG / cm2)
F

Độ dự trữ ổn định của thanh kéo trong kết cấu( k =
1,25 ~2,5)
k = 2,3: thoả mÃn yêu cầu
k

ud
2,3
n

Các thông số hình học của bộ truyền trục vít con lăn:
- từ tỷ sè trun ic = 20,5. theo b¶ng 11-11 t chän khoảng
cách trục A là:
A = 100 (mm).

- từ bảng 10-11 và A = 100 (mm) ta chọn đợc đờng kính
trong vòng đáy zen tiết diện trung bình của trục vít
là Di1 = 36 (mm).
- đờng kính vòng tròn tính toán d 1 tại tiết diện trung
bình của trục vít
d1 = Di1 + 2h1
trong đó h1 là chiều cao đầu võng cđa trơc vÝt
h1’’ = ( f0 + C0 +  )*m
m: modul răng trục vít. Chọn m = 3 (mm).
: Là hệ số dịch dao, chọn = 0.
C0 : là hƯ sè khe hë híng t©m. C0 = 0,25.
f0 : là hệ số chiều cao răng. Chọn f0 = 1.

h1 = ( 1 + 0,25 )*3 = 3,75 (mm).

d1 = 36 + 3,75 = 39,75 (mm).
- Đờng kính vòng đỉnh zen trôc vÝt:
11


Dl1 = d1 + 2h1
h1: chiều cao đầu răng.
h1 = ( f0 + )*m = ( 1 + 0 )*3 = 3 (mm).

Dl1 = 39,75 + 2.3 = 45,75 (mm).
- Bán kính cong mặt đỉnh zen của trục vít:
Rl1 = A – 0,5Dl1 = 100 – 0,5*45,75 = 77,125 (mm).
- Bán kính cong mặt đáy zen trục vít:
Ri1 = A – 0,5*Di1 = 100 – 0,5*36 = 82 (mm)
- Gãc ôm :

2 = 360*(Z2 + 0,5)/Z2
Z2 là số răng của bánh vít.
Ta chọn số mối zen của trục vít là Z1 = 2

Z2 = ic * Z1 = 37

Z2’ = 4.

2 = 360*( 4 + 0,5)/37 =43,47o

 = 21o53,5’
ChiỊu dµI lµm viƯc cđa trơc vÝt:
L = d2 * sin
d2 : đờng kính vòng tròn tính toán của bảng vít.
d2 = 2A – d1 = 2*100 – 39,75 = 160,25 (mm).

L = 160,25*sin21o53,3 = 59,75 (mm).
- Đờng kính vòng đỉnh của b¸nh vÝt:
Dl2 = d2 + h2’
h2’ = h1’’ – C
víi C = C0 = 0,25*3 = 0,75 (mm).
h2’ = 3,75 – 0,75 = 3 (mm).

Dl2 = 160,25 + 2*3 = 166,25 (mm).
- Đờng kính vòng đáy răng trong tiết diện trung bình
của bảng vít:
Di2 = d2 2h2
h2 = h1 + C = 3 + 0,75 = 3,75 (mm).
Di2 = d2 – 2h2’ = 160,25 – 2*3,75 = 152,75 (mm).
- Ta chọn con lăn có 2 răng.

- Do đờng kính con lăn không ảnh hởng đến tỉ số
truyền nên ta chän dcl = 60 (mm).
* KiĨm tra bỊn.
- øng st chÌn dËp:
cd = T/F  700  800 ().
12


T: lùc däc trôc.
PVmax

T = 2PVmaxRV/t.
= 7,1 (kg). – Lùc cực đại tác dụng lên vành tay

lái.
RV Bán kính vành tay l¸i. RV = 250 (mm).
t = *m – bíc cđa trơc vÝt.
t = 3,14*3 = 9,42 (mm).

T = 2PVmaxRV/.m. = 2*7,1*250/3 = 1183,33 (kg).
F : diƯn tÝch tiÕp xóc.
F = (1 - sin1 )*r12 + (2 - sin2 )*r22.

XÐt EO1O2 ta có O1O2 = A2 + a2
A: khoảng cách giữa trục bánh vít và trục vít: A = 100
(mm).
a: ®é lƯch t©m: a = 5 (mm).
VËy
O1O2 = 1002 + 52 = 100,125 (mm).
Ta cã:

O2E = O1O22 + O2E2 – 2* O1O2 * O2E*cos(1/2)
O2E = r2 = 100,252 + r12 2*r1*cos(1/2).
r1: bán kính vòng đỉnh trục vít.
r1 = Dl1/2 = 45,75/2 = 22,875 (mm).
r2: bán kính vòng đỉnh bảng vÝt.
r2 = Dl2/2 = 166,25/2 = 83,125 (mm).
13




cos(1/2)
=
{(100,1252
83,1252)/2*22,875*100,125}

1 = 67o42’ = 1,1688 (rad).

sin(1) = 0,92.
Ta cã r12*(1 - cos(1)) = r22*(1 - cos(2)

cos(2) = 0,957.

 = 17o41’ = 0,296 (rad)

sin(2) = 0,3.

+
22,8752
= 0,82

F = (1 - sin1 )*r12 + (2 - sin2 )*r22.

F = 106 (mm2).
VËy cd = T/F = 1683 (kG/cm2)
= 168,3 (MN/m2) < {}cd = 700 – 800 (MN/m2)

14

–