Thiết kế cải tiến hệ thống lái cho xe tải IFA–W50

triệu chiếc, trong đó ô tô con chiếm 75%, còn lại 25% là xe tải và xe khách. Việt Nam là một nước có nền công nghiệp đang trong giai đoạn phát triển, trong đó nền công nghiệp ô tô cũng đang trong thời kỳ phát triển sơ khai. Hiện nay, nước ta có 14 công ty liên doanh ô tô, chủ yếu lắp ráp và chuyển giao công nghệ từng phần, việc tiến tới sản xuất ô tô có qui mô lớn mang thương hiệu Việt Nam là một trong những mục tiêu đã và đang trong giai đoạn thực hiện của ngành công nghiệp ô tô Việt Nam. Là một sinh viên chuyên nghành ô tô, việc đi đến thiết kế ô tô là cả một quá trình học hỏi và tích luỹ. Đứng trước thực tại phát triển với nhiều lựa chọn thì việc cải tiến và áp dụng một thành quả tiên tiến của khoa học kỹ thuật vào cải tiến xe hiện có để phù hợp với tính năng sử dụng là một trong những đòi hỏi cần có của một kỹ sư. Từ những yêu cầu thực tế, em được giao đề tài: “Thiết kế cải tiến hệ thống lái cho xe IFA – W50” nhằm mục đích giảm cường độ cho người lái, làm tăng thêm tính cơ động và độ an toàn chuyển động của xe. Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Phạm Vỵ đã nhiệt tình hướng dẫn và giúp đỡ em hoàn thành tốt đề tài này. Tuy nhiên, do lần đầu làm công tác thiết kế, thời gian lại có hạn nên không tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong sự góp ý, chỉ bảo của các thầy cô và các bạn để em hiểu rõ hơn. đặc điểm và các thông số kỹ thuật của xe ifa – w50 Đặc điểm kỹ thuật của xe IFA – W50 Xe IFA-W50 do nhà máy chế tạo ô tô IFA của Cộng hoà dân chủ Đức sản xuất năm 1969. Vỏ xe bằng kim loại có sàn xe tự đổ, thành sau mở lật được, đổ tải qua 3 phía. Trang bị khí nén, thuỷ lực, điện để nâng ben của rơmoóc. Cabin có 2 chỗ ngồi bằng kim loại. Các thông số kỹ thuật của xe IFA – W50 STT Thông số Trị số và đơn vị 1 Trọng tải 5000 KG 2 Trọng lượng bản thân 5200 KG 3 Trọng lượng toàn bộ: Phân lên cầu trước Phân lên cầu sau 10200 KG 3400 KG 6800 KG 4 Khối lượng cho phép của rơmoóc 9000 KG 5 Thể tích thùng xe 3,24 m3 6 Chiều dài cơ sở 3200mm 7 Chiều dài toàn bộ 6480 mm 8 Chiều cao của xe 2600 mm 9 Chiều rộng của xe 2500 mm 10 Chiều rộng cơ sở 1760 mm 11 Khoảng cách giữa hai tâm trụ quay đứng 1500 mm 12 Chiều dài đòn bên 200 mm 13 Chiều dài đòn kéo ngang 1376 mm 14 Chiều dài đòn kéo dọc 780 mm 15 Chiều dài đòn quay ngang 220 mm 16 Chiều dài đòn quay đứng 210 mm 17 Bán kính vành tay lái 250 mm 18 Vết bánh: Trước Sau 1750 mm 1780 mm 19 Bánh kính quay vòng theo vỏ xe 7,1 m 20 Tốc độ cực đại 90 km/h 21 Tiêu hao nhiên liệu 17 lít/100 km 22 động cơ 4 VD 14,5/12-1 SRW Điêden 4 kỳ, 4 xilanh, bố trí thẳng hàng: 1-3-4-2 23 đường kính xi lanh 120 mm 24 Hành trình pit-tông 145 mm 25 Dung tích công tác 6,56 lít 26 Tỉ số nén 18 27 Công suất cực đại 125 mã lực ở 2300 vòng/phút 28 Mômen xoắn cực đại 43 KG.m ở 1350 vòng/phút 29 Bơm cao áp DEP 4V-S 804/3 30 Vòi phun Se 170 66-1, TGL 12348 31 Điện áp thiết bị điện 12V 32 Li hợp Ma sát khô, 1 đĩa 33 Hộp số 5 cấp, đồng tốc cho số II, III, IV, V 34 Truyền lực chính 2 cấp, côn răng xoắn, bánh răng hành tinh 35 tỉ số truyền của hộp số: Số I Số II Số III Số IV Số V Số lùi 8,62 4,56 2,62 1,59 1,00 6,38 36 Tỉ số truyền của truyền lực chính 5,36 37 Cơ cấu lái Trục vít – con lăn 38 Hiệu suất thuận của cơ cấu lái 0,72 39 Hiệu suất nghịch của cơ cấu lái 0,55 40 Tỷ số truyền của cơ cấu lái 23,4 41 Hệ thống treo phía trước Nhíp 42 Hệ thống treo phía sau Nhíp có đệm cao su phụ 43 Phanh công tác Tang trống có dẫn động thuỷ lực tách rời và cường hoá khí nén 44 Phanh khi dừng Phanh tang trống, dẫn động cơ khí, tích năng lượng đàn hồi 45 Phanh phụ Phanh mô tơ 46 Số bánh xe 6 + 1 47 Kích thước lốp 9,00 – 20 48 áp suất trong lốp bánh trước và sau 6,5 KG/cm2 Chương i Tổng quan về hệ thống lái trên ô tô 1. công dụng, phân loại, yêu cầu 1.1. Công dụng Hệ thống lái của ô tô dùng để thay đổi hướng chuyển động hoặc giữ cho ô tô chuyển động theo một quỹ đạo xác định nào đó. 1.2. Phân loại Tuỳ thuộc vào yếu tố căn cứ để phân loại, hệ thống lái được chia thành các loại sau: 1.2.1. Theo cách bố trí vành lái - Hệ thống lái với vành lái bố trí bên trái (theo chiều chuyển động của ô tô) được dùng trên ô tô của các nước có luật đi đường bên phải như ở Việt Nam và một số nước khác. - Hệ thống lái với vành lái bố trí bên phải (theo chiều chuyển động của ô tô) được dùng trên ô tô của các nước có luật đi đường bên trái như ở Anh, Nhật, Thuỵ Điển, … 1.2.2. Theo số lượng cầu dẫn hướng - Hệ thống lái với các bánh dẫn hướng ở cầu trước. - Hệ thống lái với các bánh dẫn hướng ở cầu sau. - Hệ thống lái với các bánh dẫn hướng ở tất cả các cầu. 1.2.3. Theo kết cấu của cơ cấu lái - Cơ cấu lái loại trục vít – bánh vít. - Cơ cấu lái loại trục vít – cung răng. - Cơ cấu lái loại trục vít – con lăn. - Cơ cấu lái loại trục vít – chốt quay. - Cơ cấu lái loại liên hợp (gồm trục vít, êcu, cung răng). - Cơ cấu lái loại bánh răng trụ – thanh răng. 1.2.4. Theo kết cấu và nguyên lý làm việc của bộ cường hoá - Hệ thống lái có cường hoá thuỷ lực. - Hệ thống lái có cường hoá khí nén. - Hệ thống lái có cường hoá liên hợp. 1.3. Yêu cầu Dựa vào yêu cầu tối thiểu về sự an toàn của xe và hàng thì hệ thống lái phải có các yêu cầu sau: - Đảm bảo tính năng vận hành cao của ôtô, có nghĩa là khả năng quay vòng nhanh và ngặt trong một thời gian rất ngắn 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. - Đảm bảo được động học quay vòng đúng để các bánh xe không bị trượt lết khi quay vòng. - Hệ thống trợ lực phải chính xác, tính chất tuỳ động đảm bảo phối hợp chặt chẽ giữa sự tác động của hệ thống lái và sự quay vòng của bánh xe dẫn hướng. - Đảm bảo quan hệ tuyến tính giữa góc quay vành lái và góc quay bánh xe dẫn hướng. - Cơ cấu lái phải được đặt ở phần được treo để kết cấu hệ thống treo trước không ảnh hưởng đến động học cơ cấu lái. - Hệ thống lái phải bố trí sao cho thụân tiện trong việc bảo dưỡng và sửa chữa. 2. cấu tạo chung hệ thống lái Sơ đồ cấu tạo của hệ thống lái được thể hiển trên hình 1.1, bao gồm các bộ phận chính như sau: - Vành lái: Vành lái cùng với trục lái có nhiệm vụ truyền lực quay vòng của người lái từ trục vít của cơ cấu lái. 1- Vành lái 2- Trụ lái 3- Trục vít 4- Cung răng 5- Đòn quay đứng 6- Đòn kéo dọc 7 - Cam quay 8, 9, 1 0- Hình thang lái 11- Trục bánh xe 12- Dầm cầu dẫn hướng Hình 1.1– Hệ thống lái với cầu dẫn hướng loại liền - Cơ cấu lái: Cơ cấu lái ở sơ đồ hình 1.1 gồm có trục vít 3 và cung răng 4. Nó có nhiệm vụ biến chuyển động quay của trục lái thành chuyển động góc của đòn quay đứng và khuyếch đại lực điều khiển trên vành lái. - Dẫn động lái: Dẫn động lái bao gồm đòn quay đứng 5, thanh kéo dọc 6, cam quay 7. Nó có nhiệm vụ biến chuyển động góc của đòn quay đứng 5 thành chuyển động góc của trục bánh xe dẫn hướng. - Hình thang lái: Hình thang lái bao gồm các đòn 8, 9 và 10. Ba khâu này hợp với dầm cầu dẫn hướng tạo thành bốn khâu dạng hình thang nên gọi là hình thang lái. Hình thang lái có nhiệm vụ tạo chuyển động góc của hai bánh xe dẫn hướng theo một quan hệ xác định bảo đảm các bánh xe không bị trượt khi quay vòng. 3. các loại hệ thống lái 3.1. Hệ thống lái với cầu dẫn hướng loại liền (hình 1.1) và hệ thống lái với cầu dẫn hướng loại rời (hình 1.2) Hình 1.2 – Hệ thống lái với bánh dẫn hướng trong hệ thống treo độc lập ở hệ thống lái cầu liền (hệ thống treo phụ thuộc) khi ô tô hoặc cầu dao động thì toàn bộ các chi tiết của hình thang lái dao động cùng một khối với cầu dẫn hướng. Nhưng ở hệ thống lái với hệ thống treo độc lập (hình 1.2), các bánh xe dẫn hướng bên trái hoặc bên phải có thể dao động độc lập với nhau nên cấu tạo của dẫn động lái và hình thang lái có khác so với loại cầu liền. Đó là thanh ngang của hình thang lái không thể làm liền mà phải cắt rời thành nhiều đoạn và liên kết với nhau bằng các khớp cầu. Còn các bộ phận khác như vành lái, trục lái, cơ cấu lái đều có cấu tạo và nguyên lý làm việc như đã nói trong mục 2. 3.2. Hệ thống lái có cường hoá Bố trí chung của hệ thống lái loại này được thể hiện trên hình 1.3. Hình 1.3 – Hệ thống lái có cường hoá So với hệ thống lái không có cường hoá đã trình bày ở trên, cấu tạo chung của hệ thống lái có cường hoá gồm hai phần chính: phần lái cơ khí và phần cường hoá. Phần lái cơ khí có cấu tạo và nguyên lý giống như các trường hợp đã trình bày ở trên. Phần cường hoá với các bộ phận chính sau: - Nguồn năng lượng của bộ cương hoá, trong sơ đồ hình 1.3 là bơm thuỷ lực. - Van phân phối (van điều khiển). - Cơ cấu chấp hành (xi lanh lực). 4. CấU TạO CủA CáC Bộ PHậN TRONG Hệ THốNG LáI 4.1. Trục lái Trục lái có hai loại: loại cố định không thay đổi được góc nghiêng (hình 1.4.a) và loại thay đổi được góc nghiêng (hình 1.4.b). Hình 1.4 – Cấu tạo trục lái Trục lái cố định không thay đổi được góc nghiêng. Trục lái thay đổi được góc nghiêng. Đối với loại không thay đổi được góc nghiêng thì trục lái gồm một thanh thép hình trụ rỗng. Đầu trên của trục lái được lắp bằng then hoa với moayơ của vành lái (vô lăng), còn đầu dưới cũng được lắp bằng then hoa với khớp các đăng. Trục chính được đỡ trong ống trục lái bằng các ổ bi. ống trục lái được cố định trên vỏ cabin bằng các giá đỡ. Vành lái có dạng một thanh thép hình tròn với một số nan hoa (hai hoặc ba) nối vành thép với moayơ vành lái cũng bằng kim loại. Moayơ có làm lỗ với các then hoa để ăn khớp then với đầu trên của trục lái. Đối với loại không thay đổi được góc nghiêng thì ngoài những chi tiết kể trên, trục chính không phải là một thanh liên tục mà được chia thành hai phần có thể chuyển động tương đối với nhau trong một góc độ nhất định nhờ kết cấu đặc biệt của khớp nối (hình 1.4.b). Tuỳ thuộc vào tư thế và khuôn khổ của người lái mà vành lái có thể được điều chỉnh với góc nghiêng phù hợp. 4.2. Cơ cấu lái Cơ cấu lái là hộp giảm tốc đảm bảo tăng mômen quay của người lái từ vành lái tới các bánh xe dẫn hướng. Cơ cấu lái có các thông số đặc trưng cho tính năng kỹ thuật sau: - Tỷ số truyền ic: Trong đó: - là các góc quay nguyên tố tương ứng của vành lái và trục đòn quay đứng; - là góc quay tương ứng của vành lái và trục đòn quay đứng. Tỷ số truyền của cơ cấu lái có thể thay đổi hoặc không thay đổi. Tỷ số truyền cơ cấu lái có phạm vi thay đổi rộng, cao ở vùng vị trí trung gian và thấp ở các vị trí rìa thường được dùng ở hệ thống lái không có cường hoá. - Hiệu suất thuận: Hiệu suất thuận là hiệu suất tính theo lực truyền từ trên trục lái xuống. Hiệu suất thuận càng cao thì lái càng nhẹ. Vì vậy, nói chung khi thiết kế cơ cấu lái yêu cầu phải có hiệu suất thuận cao. - Hiệu suất nghịch: Hiệu suất nghịch là hiệu suất tính theo lực truyền từ dưới đòn quay đứng lên trục lái. Thông thường yêu cầu phải có hiệu suất nghịch phải có trị số bé hơn hiệu suất thuận. Nếu hiệu suất nghịch rất bé thì các lực va đập tác dụng lên hệ thống chuyển động của ô tô sẽ không truyền đến vành lái được vì chúng bị triệt tiêu bởi ma sát trong cơ cấu lái. Đây là một tính chất rất quý của cơ cấu lái. Tuy nhiên, không thể đưa hiệu suất nghịch xuống quá thấp, vì lúc đó bánh xe dẫn hướng sẽ không tự trả lại được về vị trí ban đầu dưới tác dụng của các mômen ổn định. Vì vậy, để đảm bảo khả năng tự trả bánh xe dẫn hướng từ vị trí đã quay về vị trí ban đầu và để hạn chế các va đập từ đường lên vành lái trong một phạm vi nào đấy thì cơ cấu lái được thiết kế với một hiệu suất nghịch nhất định. 4.2.1. Cơ cấu lái loại trục vít cung răng (hình 1.5) Cơ cấu lái loại trục vít cung răng có ưu điểm là giảm được trọng lượng và kích thước so với loại trục vít bánh răng. Cung răng có thể là cung răng thường (hình 1.5.a) hoặc cung răng bên (hình 1.5.b). Cung răng bên có ưu điểm là tiếp xúc theo toàn bộ chiều dài răng, do đó giảm được ứng suất tiếp xúc và răng ít hao mòn, cho nên thường dùng cho ô tô tải cỡ lớn. Tỷ số truyền của cơ cấu lái trục vít cung răng được xác định như sau: Trong đó: ro - bán kính vòng tròn cơ sở của cung răng; t - bước trục vít. Hình 1.5 – Cơ cấu lái loại trục vít cung răng Cung răng thường Cung răng bên Tỷ số truyền của cơ cấu lái loại này có giá trị không đổi. Hiệu suất thuận khoảng 0,5 còn hiệu suất nghịch khoảng 0,4. 4.2.2. Cơ cấu lái loại trục vít con lăn (hình 1.6) Hình 1.6 – Cơ cấu lái loại trục vít con lăn Cơ cấu lái loại trục vít con lăn có những ưu điểm sau: - Nhờ trục vít có dạng glôbôit cho nên mặc dù chiều dài trục vít không lớn nhưng sự tiếp xúc của các răng ăn khớp được lâu hơn và trên diện rộng hơn, có nghĩa là giảm được kích thước chung và giảm ứng suất tiếp xúc của các răng. - Tải trọng tác dụng lên chi tiết tiếp xúc với nhau được phân tán, tuỳ theo loại ô tô mà có thể làm con lăn có từ hai đến bốn vòng ren. - Tổn thất do ma sát ít hơn nhờ thay ma sát trượt bằng ma sát lăn. - Có khả năng điều chỉnh khe hở ăn khớp của các bánh răng. Đường trục của con lăn nằm lệch với đường trục của trục vít một khoảng e = 5 - 7 mm. Điều này cho phép điều chỉnh lại khe hở ăn khớp sau một thời gian làm việc các chi tiết bị hao mòn. Tỷ số truyền của cơ cấu lái trục vít con lăn tại vị trí trung gian xác định theo công thức: Trong đó: r2 - bán kính vòng tròn ban đầu của hình glôbôit của trục vít; t - bước của trục vít; z1 - số mối ren của trục vít. Tỷ số truyền của cơ cấu lái loại này sẽ tăng lên từ vị trí giữa đến vị trí rìa khoảng từ 5 - 7%, nhưng sự tăng này không đáng kể nên có thể bỏ qua và coi như tỉ số truyền không đổi. Hiệu suất thuận vào khoảng 0,65 và hiệu suất nghịch vào khoảng 0,5. Cơ cấu lái loại này được sử dụng rộng rãi trong các loại ô tô khác nhau. 4.2.3. Cơ cấu lái loại trục vít chốt quay (hình 1.7) Cơ cấu lái loại này có ưu điểm cơ bản là có thể thiết kế tỷ số truyền thay đổi theo các quy luật khác nhau tuỳ thuộc vào yêu cầu sử dụng. Hình 1.7 – Cơ cấu lái loại trục vít chốt quay Nếu bước của trục vít t không đổi thì tỷ số truyền được xác định theo công thức: Trong đó: - góc quay của đòn quay đứng; r2 - bán kính từ chốt quay đến trục đòn quay đứng. Hiệu suất thuận và hiệu suất nghịch của cơ cấu lái loại này đều vào khoảng 0,7. Cơ cấu lái loại này thường được sử dụng ở hệ thống lái không có cường hoá trên ô tô tải và ô tô khách. 4.2.4. Cơ cấu lái loại trục vít êcu bi cung răng (hình 1.8) Hai đầu trục vít được đỡ bằng ổ bi đỡ chặn, một đai ốc bi chạy trên trục vít nhờ rất nhiều các viên bi ở trong các rãnh xoắn trên trục vít và bên trong đai ốc. Các viên bi lăn trong các rãnh này, các rãnh được thiết kế để cho phép các viên bi tuần hoàn một cách liên tục. Hình 1.8 – Cơ cấu lái loại trục vít êcu bi cung răng Một trục với bánh răng rẻ quạt được lắp trong hộp cơ cấu lái bằng các ổ bi kim. Phần răng rẻ quạt ăn khớp với răng của đai ốc bi. Khi trục vít quay dẫn đến trục đòn quay đứng quay. Ưu điểm của cơ cấu lái loại trục vít êcu bi cung răng là: tổn thất ma sát giữa trục vít và trục rẻ quạt rất nhỏ nhờ biến ma sát trượt thành ma sát lăn. 4.2.5. Cơ cấu lái loại bánh răng trụ thanh răng (hình 1.9) Bánh răng trụ được chế tạo liền với trục lái nên còn gọi là trục răng. Khi quay vành lái trục răng quay làm thanh răng dịch chuyển sang phải hoặc sang trái. Sự dịch chuyển của thanh răng được truyền tới cam quay qua các đầu thanh răng và khớp cầu. Cơ cấu lái loại trục răng thanh răng có các ưu điểm sau: - Cấu trúc đơn giản, gọn nhẹ do cơ cấu lái nhỏ và bản thân thanh răng có tác dụng như thanh dẫn động lái nên không cần các thanh ngang như ở cơ cấu 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. Hình 1.9 – Cơ cấu lái loại bánh răng trụ thanh răng 4.3. Dẫn động lái 4.3.1. Đòn quay (hình 1.10) Đòn quay có nhiệm vụ truyền mômen từ trục đòn quay của cơ cấu lái tới các đòn kéo dọc hoặc kéo ngang được nối với cam quay của bánh xe dẫn hướng. Cấu tạo của đòn quay có dạng thanh gồm thân đòn quay, đầu to và đầu nhỏ. Đầu to là lỗ hinh trụ hoặc côn có then hoa bên trong để ăn khớp then hoa với đầu trục đòn quay. Đầu nhỏ đòn quay cũng có lỗ trơn hình côn để bắt với rôtuyn. Thân đòn quay có tiết diện nhỏ dần từ đầu to đến đầu nhỏ và hình dạng tiết diện phù hợp với phương chịu lực. Tuỳ theo loại cơ cấu lái và dẫn động lái mà đòn quay có thể quay trong mặt phẳng ngang (hình 1.10.a) hoặc mặt phẳng đứng (1.10.b). Hình 1.10 – Đòn quay 4.3.2. Đòn kéo (hình 1.11) Hình 1.11 – Đòn kéo Đòn kéo được dùng để truyền lực từ đòn quay của cơ cấu lái đến cam quay bánh xe dẫn hướng. Tuỳ theo phương đòn đặt kéo mà người ta có thể gọi đòn kéo dọc hoặc đòn kéo ngang. Đòn kéo cũng được sử dụng nối và truyền lực giữa hai cam quay của hai banh xe dẫn hướng. Nó là khâu thứ ba (trừ dầm cầu dẫn hướng) trong hình thang lái nên còn được gọi là thanh “ba ngang”. Cấu tạo chung của đòn kéo gồm một thanh thép hình trụ rỗng hai đầu có bố trí các rôtuyn với liên kết cầu. Vì trong quá trình làm việc vị trí của các đòn kéo có thể thay đổi trong không gian nên các điểm nối giữa các đòn kéo phải là liên kết cầu để tránh cưỡng bức. Liên kết cầu bao gồm một rôtuyn với một đầu có dạng cầu và các bát rôtuyn có bề mặt lắp ghép là một phần chỏm cầu lõm được lắp ráp với mặt cầu của rôtuyn. Một yêu cầu đối với dẫn động lái là phải chính xác, không có độ dơ, đồng thời để dập tắt các lực va đập truyền qua dẫn động lái nên hầu hết các khớp rôtuyn đều dùng lò xo để ép bát rôtuyn với mặt cầu của rôtuyn. Lực ép của các lò xo này lên rôtuyn được điều chỉnh bằng các nút tỳ có ren. Để bôi trơn các bề mặt làm việc của rôtuyn và bát rôtuyn thì người ta thường bố trí một vú mỡ và các đường dẫn mỡ từ vú mỡ tới các rôtuyn. Trên một đòn kéo có hai rôtuyn thì việc bố trí lò xo ở các đầu rôtuyn này phải bảo đảm sao cho khi lực truyền từ chốt rôtuyn này đến chốt kia chỉ có một trong hai lò xo làm việc. 4.3.3. Hình thang lái Hình thang lái thực chất là một tứ giác gồm bốn khâu (hình 1.12): dầm cầu, thanh lái ngang và hai thanh bên (cánh bản lề). ở vị trí trung gian, tứ giác này có dạng hình thang nên được gọi là hình thang lái. Trừ giầm cầu ra các khâu còn lại của hình thang lái có cấu tạo như các đòn kéo. Vì vậy, ở đây chúng ta không xét thêm về mặt cấu tạo mà chủ yếu đưa ra hình dạng và kích thước của hình thang lái. Để đảm bảo quan hệ giữa góc quay của bánh xe bên trong và bánh xe bên ngoài để các bánh xe cùng quay trên một tâm quay tức thời thì kích thước của các thanh lái ngang, cánh bản lề và góc q phải có những giá trị xác định. Hình 1.12 – Hình thang lái ở một số ô tô do kết cấu của hệ thống treo và hệ thống lái khác nhau nên hình thang lái cũng được suy biến theo. 5. góc đặt bánh xe Các góc đặt bánh xe và trụ quay đứng nhằm các mục đích sau: - Giảm lực cản quay vòng ở các bánh xe dẫn hướng. - Tạo độ ổn định của bánh xe dẫn hướng, có nghĩa là khi bánh xe dẫn hướng lệch khỏi vị trí trung gian thì nó có khả năng tự động quay trở lại. Các góc này bao gồm góc nghiêng ngang của bánh xe (camber), góc nghiêng dọc của trụ quay đứng (caster), góc nghiêng ngang của trụ quay đứng (kingpin) và độ chụm của bánh xe. Chương ii Kiểm nghiệm hệ thống lái xe ifa – w50 1. hệ thống lái xe ifa – w50 Sơ đồ hệ thống lái xe IFA – w50 được thể hiện trên hình 2.1. 1- Vành tay lái 2- Trục tay lái 3- Cơ cấu lái 4- Đòn quay đứng 5- Đòn kéo dọc 6- Đòn quay ngang 7- Đòn kéo ngang 8- Đòn bên 9- Dầm cầu trước 10- Bánh xe dẫn hướng Hình 2.1 – Sơ đồ hệ thống lái của xe IFA - W50 1.1. Đặc điểm Hệ thống lái lắp trên xe IFA – W50 có các đặc điểm sau: - Là hệ thống lái cơ khí, không có cường hoá lái. - Cơ cấu lái loại trục vít – con lăn 2 răng, tỷ số truyền ic = 23,4. - Dẫn động lái gồm: đòn quay đứng, đòn kéo dọc, đòn quay ngang. - Hình thang lái gồm: dầm cầu trước, đòn kéo ngang và đòn bên, các chi tiết liên hệ với nhau thông qua khớp cầu. 1.2. Ưu điểm của hệ thống lái xe IFA – W50 - áp suất tác dụng lên con lăn giảm đáng kể so với loại trục vít – bánh vít. - Khe hở giữa trục vít và con lăn nhỏ nhất khi xe đi thẳng nên khắc phục được hiện tượng kẹt răng. - Hiệu suất thuận lớn hơn hiệu suất nghịch (ht = 0,72; hn = 0,55), do vậy giảm được va đập từ mặt đường lên vành lái. - Độ bền và chống mòn của trục vít và con lăn cao, có khả năng điều chỉnh khe hở ăn khớp giữa trục vít và con lăn, do đó điều chỉnh được độ dơ vành tay lái. 1.3. Nhược điểm của hệ thống lái xe IFA – W50 - Là hệ thống lái cơ khí nên lực lái lớn, nhất là khi quay vòng nhanh, nên gây mệt mỏi cho người lái, làm giảm tính năng cơ động của xe. - Lực va đập từ bánh xe với mặt đường lên vành tay lái còn lớn, nên vành tay lái bị rung lắc mạnh khi xe đi vào đường xấu. 2. tính động học hình thang lái Nhiệm vụ của việc tính động học hình thang lái là xác định những thông số tối ưu của hình thang lái. Sự chuyển động của ô tô là quá trình kết hợp hài hoà giữa bánh xe dẫn hướng với những góc quay khác nhau. Để nhận được sự lăn tinh của các bánh xe dẫn hướng khi quay vòng, các bánh xe dẫn hướng bên trái và bên phải khi quay vòng lăn trên vòng tròn đồng tâm. Do đó, cơ cấu hình thang lái sẽ giải quyết tốt những yêu cầu trên. 2.1. Xây dựng đường cong đặc tính hình thang lái lý thuyết Như ta đã biết từ lý thuyết quay vòng đã chứng minh rằng muốn các bánh xe ô tô quay vòng đúng thì quan hệ giữa chúng phải thoả mãn điều kiện sau: (2 - 1) Trong đó: a - là góc quay của bánh xe dẫn hướng bên ngoài b - là góc quay của bánh xe dẫn hướng bên trong B - là khoảng cách giữa hai đường tâm trụ đứng, B = 1500 mm Lo - là chiều dài cơ sở của ôtô, Lo = 3200 mm Hình 2.2 – Sơ đồ động học quay vòng của ô tô có hai bánh dẫn hướng phía trước ứng với các giá trị của góc b từ 00 á 400 ta lần lượt tính được giá trị a của bánh dẫn hướng phía ngoài. Giá trị của a được suy ra từ biểu thức (2 – 1): (2 – 2) Từ đó ta lập được bảng đặc tính lý thuyết sau: b(độ) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 alt(độ) 0 4,804 9,251 13,391 17,273 20,941 24,436 27,797 31,06 2.2. Xây dựng đường cong đặc tính hình thang lái thực tế Xe tải IFA – W50 có cấu tạo hình thang lái là cơ cấu 4 khâu hay còn gọi là hình thang lái kiểu Đan – tô. Hình 2.2 – Sơ đồ hình thang lái Thông qua hình thang lái, từ mối quan hệ hình học chúng ta rút ra được về mối quan hệ giữa các góc quay của bánh xe dẫn hướng bên ngoài và bên trong, được xác định theo công thức: (2 – 3) Trong đó: a - góc quay của bánh xe dẫn hướng phía ngoài b - góc quay của bánh xe dẫn hướng phía trong q - góc nghiêng đòn bên của hình thang lái m – chiều dài đòn bên B – khoảng cách giữa hai tâm trụ quay đứng Chọn sơ bộ chiều dài đòn bên hình thang lái: m = 200 mm, m thường được chọn theo kinh nghiệm: m = (0,11 á 0,16)B với m = 0,135B. Như vậy là thoả mãn điều kiện trên. Tính sơ bộ q theo công thức: (2 - 4) Với X = 0,7 ị Thay giá trị vào công thức ta có: Chọn q trong khoảng 17o á 20o vào công thức (2 - 3). Như vậy, cứ ứng với mỗi giá trị của q ta tìm được một loạt giá trị tương ứng của a theo b chọn trước. Từ đó ta có các bảng giá trị sau: Bảng 1: ứng với q1 = 17o b (độ) alt (độ) att (độ) alt - att 0 0 0 0 5 4,804 4,8497 - 0,0557 10 9,251 9,445 - 0,23 15 13,391 13,764 - 0,373 20 17,273 17,811 - 0,538 25 20,942 21,5732 - 0,6312 30 24,436 25,0328 - 0,5968 35 27,797 28,1633 - 0,3663 40 31,06 30,9336 0,1264 Bảng 2: ứng với q2 = 18o b (độ) alt (độ) att (độ) alt - att 0 0 0 0 5 4,804 4,8495 - 0,0455 10 9,251 9,4092 - 0,1942 15 13,391 13,686 - 0,295 20 17,273 17,677 - 0,44 25 20,942 21,3702 - 0,4282 30 24,436 24,7468 - 0,3108 35 27,797 27,782 0,015 40 31,06 30,4454 0,6146 Bảng 3: ứng với q3 = 19o b (độ) alt (độ) att (độ) alt - att 0 0 0 0 5 4,804 4,8401 - 0,0361 10 9,251 9,3731 - 0,1221 15 13,391 13,608 - 0,217 20 17,273 17,5427 - 0,2697 25 20,942 21,166 - 0,224 30 24,436 24,461 - 0,025 35 27,797 27,4012 0,3958 40 31,06 29,959 1,101 Bảng 4: ứng với q4 = 20o b (độ) alt (độ) att (độ) alt - att 0 0 0 0 5 4,804 4,83046 - 0,02646 10 9,251 9,3366 - 0,0856 15 13,391 13,4352 - 0,0442 20 17,273 17,407 - 0,137 25 20,942 20,9613 - 0,0193 30 24,436 24,1735 0,2625 35 27,797 27,021 0,776 40 31,06 29,475 1,585 Từ công thức (2 - 4) ta xác định được các thông số trong bảng đặc tính lý thuyết, dựa vào trục toạ độ vuông góc a và b ta lập được đường cong biểu thị mối quan hệ a = f(b) lý thuyết. Cho trước các giá trị của q, chọn trước m. Từ biểu thức (2 - 3) ta xây dựng được một họ đường cong a = f(b, q, m) cũng trên toạ độ vuông góc nói trên (hình 2.4). Lý thuyết q1=17o 35 a b 30 25 20 15 10 5 5 10 15 20 25 30 35 40 0 q2=18o q3=19o q4=20o Hình 2.4 - Đồ thị đặc tính động học hình thang lái Từ bảng số liệu và đồ thị ta có nhận xét sau: Ta thấy ứng với q = 18o thì giá trị att gần sát với đường đặc tính quay vòng lý thuyết hơn. Vì với b Ê 35o thì sự sai lệch so với đường đặc tính lý thuyết là: Da = (alt - att) Ê 1o. Nếu lớn hơn điều kiện này sẽ gây mòn lốp nhanh. Do đó góc quay lớn nhất của bánh xe dẫn hướng phía trong bmax = 35o và amax = 28o. Khi đó bánh xe dẫn hướng phía ngoài có sự trượt ngang nhỏ. 2.3. Tính chiều dài đòn kéo ngang hình thang lái Từ công thức: Trong đó: n – chiều dài đòn kéo ngang hình thang lái. ị n = B – 2msinq Thay số với q = 18o; B = 1500 mm; m = 200 mm, ta có: n = 1500 – 2.200.sin18o = 1376,4 (mm) Vậy ta lấy chiều dài đòn kéo ngang hình thang lái là: n = 1376 mm. 3. kiểm nghiệm động lực học Việc tính toán động lực học là nhằm mục đích phân phối tỷ số truyền của cơ cấu lái, làm tăng độ tin cậy cho ô tô khi tham gia giao thông, đông thời làm phù hợp với tốc độ của ô tô . 3.1. Tính mômen cản quay vòng Mômen cản quay vòng của bánh xe dẫn hướng được xác định khi ô tô quay vòng trên đường nhựa khô và đủ tải. Mômen cản quay vòng lớn nhất khi xe chạy trên đường xấu, mặt đường nghiêng hoặc xe quay vòng tại chỗ. Mômen cản quay vòng được xác định theo công thức: (2 - 4) Trong đó: Mc – mômen cản quay vòng tổng cộng; M1 – mômen cản quay vòng do lực cản lăn gây ra; M2 – mômen cản quay vòng khi có lực ngang Y; M3 – mômen ổn định gây nên bởi độ nghiêng ngang b của trụ quay đứng. 3.1.1. Xác định mômen cản quay vòng M1 do lực cản lăn gây ra Mômen cản quay vòng M1 sinh ra là do trong quá trình quay vòng mômen này gây nên bởi lực cản lăn của bánh xe với mặt đường. Mômen này tác động lên đòn quay, qua cơ cấu lái tác dụng lên vành tay lái. Về trị số nó được xác định bằng công thức sau: M1 = Gbx.f.e (2 - 5) Hình 2.5 – Sơ đồ đặt bánh xe dẫn hướng Trong đó: Gbx – tải trọng thẳng đứng tác dụng lên một bánh xe dẫn hướng f – hệ số cản lăn, chọn f = 0,02 e – cánh tay đòn lăn của bánh xe dẫn hướng, e=130 mm = 0,13 m. Vậy ta có: M1 = 1700 . 0,02 . 0,13 = 4,42 (KG.m) 3.1.2. Xác định mômen cản M2 do các lực ngang gây ra Khi quay vòng sẽ xuất hiện lực ngang Y. Tổng hợp các lực thành phần của lực ngang sẽ dịch chuyển về phía sau so với tâm vết tiếp xúc một đoạn là x. Giá trị của x thừa nhận bằng 1/4 chiều dài vết tiếp xúc. r 0 bx r x Y Hình 2.6 – Sơ đồ lực ngang tác dụng lên bánh xe khi quay vòng Vậy ta có công thức sau: (2-6) Trong đó: r – bán kính tự do của bánh xe, r = 466 mômen Rbx – bán kính làm việc của bánh xe Rbx = l . Ro Với: l - hệ số biến dạng lốp, chọn l = 0,93 Ro – với lốp áp suất thấp Vậy ta có: Thay các giá trị váo công thức (2 - 6) ta có: Mômen cản M2 do bánh xe trượt lê được tính theo công thức: M2 = Gbx . jY . x (2 - 7) Trong đó: jY – hệ số bám ngang, chọn jY = 0,7 Vậy ta có: M2 = 1700 . 0,7 . 0,0623 = 74,14 (KG.m) Để làm ổn định các bánh xe dẫn hướng, người ta làm các góc đặt bánh xe : b - góc nghiêng của trụ quay đứng trong mặt phẳng ngang của xe g - góc nghiêng của trụ quay đứng trong mặt phẳng dọc của xe d - góc chụm của bánh xe dẫn hướng a - góc nghiêng của bánh xe dẫn hướng. Tất cả các góc này để làm ổn định cho hệ thống lái nhưng chung lại làm xuất hiện mômen cản M3. Trong tính toán giá trị mômen cản M3 được kể đến bởi hệ số c. Như vậy, tổng mômen quay vòng của bánh xe dẫn hướng được xác định bằng công thức: (2 – 8) Trong đó: c - hệ số tính đến ảnh hưởng của M3 do đầu trước của ô tô bị nâng lên khi lái, c = 1,07 á 1,15. Ta chọn c = 1,08. h - hiệu suất tính đến tiêu hao do ma sát ở cam quay và các khớp nối trong chuyển động lái, với xe thiết kế có một cầu dẫn hướng ở phía trước, h = 0,05 á 0,7. Ta chọn h = 0,7. Thay toàn bộ các giá trị trên vào công thức (2 – 8) ta có: Vậy Mc = 242,2 KG.m 3.2. Tính mômen cản quy dẫn tới vành tay lái Ta có công thức: (2 – 9) Trong đó: Mcvl – mômen cản lớn nhất quy dẫn tới vành tay lái ic – tỷ số truyền cơ cấu lái, ic = 23,4 id – tỷ số truyền của dẫn động lái, Ld – chiều dài đòn quay đứng, Ld = 210 mm Ln – chiều dài đòn quay ngang, Ln = 220 mm ht - hiệu suất thuận của cơ cấu lái, chọn ht = 0,72. Thay các giá trị trên vào công thức (2 – 9), ta có: (KG.m) Vậy Mcvl = 15,13 KG.m * Lực tác dụng lớn nhất của người lái lên vành tay lái khi chưa có cường hóa: Pvl max = (2 – 10) Với: Rvl – bán kính vành tay lái, Rvl = 0,25 m Mcvl – mômen cản lớn nhất quy dẫn tới vành tay lái, Mcvl = 15,13 KG.m Vậy ta có: (KG) Như vậy, lực của người lái tác dụng lên vành tay lái để điều khiển xe là rất lớn, sẽ gây mệt mỏi cho người lái. Vì vậy, để khắc phục nhược điểm trên cần thiết phải cải tiến hệ thống lái cơ khí thành hệ thống lái có cường hoá. Nhằm mục đích để giảm sức lao động nặng nhọc cho người lái xe, đồng thời tăng sức cơ động của ô tô đảm bảo an toàn khi chuyển động. 4. kiểm tra bền hệ thống lái Hệ thống lái của xe IFA – W50 sau khi đã được cải tiến có trợ lực. Do đó lực tác động lên vành tay lái sẽ nhỏ, tải trọng tác động lên cơ cấu lái cũng giảm. Song khi kiểm tra bền hệ thống lái ta vẫn xét trong trường hợp khi cường hoá không làm việc. Do cường._.