Thiết kế cải tiến hệ thống lái xe UAZ có cường hoá điện

nghiệp ôtô hoàn chỉnh như Mĩ,Tây Âu,Nhật Bản đầu tư nghiên cứu.Trong cấu tạo ôtô hai hệ thống được coi là quan trọng nhất đảm bảo an toàn chuyển động là hệ thống lái và hệ thống phanh Trong những năm gần đây có hàng trăm các công trình khoa học được công bố nhằm hoàn thiện hệ thống lái tăng tính cơ động và hoàn thiện tính điều khiển của hệ thống lái,chính vì vậy các nhà khoa học cũng đã đi sâu vào việc chế tạo các bộ cường hoá tích cực PPS (Progressive Power Steering) để đảm bảo cảm giác của người lái với mặt đường tăng tính điều khiển của hệ thống lái nhờ những áp dụngcác thành tựu về điện,điện tử ứng dụng,các thành tựu về tin học để kiểm soát được các tính năng của hệ thống láivà đảm bảo các chế độ hoạt động của chúng dược tối ưu. Những năm gần đây ở nước ta các phương tiện giao thông được người dân sử dụng như một phương tiện thiết yếu trong mỗi gia đình, các phương tiện giao thông trở thành vấn đề được xã hội quan tâm. Tai nạn và ách tắc giao thông xảy ra ngày một đó là do lượng xe máy tại các đô thị tăng cao, khi thu nhập của người dân ở các thành phố lớn ngày một tăng cao thì nhu cầu về phương tiện giao thông theo đó cững tăng lên, xu hướng sử dụng ôtô gia đình và xe bus đang phát triển. Trong thời đại công nghiệp hoá con người cần có sự năng động, tiết kiệm thời gian phương tiện giao thông nói chung và ôtô nói riêng đáp ứng được nhu cầu đó. Không chỉ trong gia đình ôtô được sử dụng ở hầu hết các lĩnh vực kinh tế văn hoá từ nông nghiệp công nghiệp, từ đô thị đến nông thôn và trong cả quân đội. Ôtô là phương tiện góp phần không nhỏ vào công cuộc công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nước, nó kéo gần các vùng lại với nhau, rút ngắn khoảng cách giao lưu kinh tế văn hoá. Sau chiến tranh nước ta còn lại rất nhiều các chủng loại xe sản xuất từ liên xô cũ nó được dùng để chuyên trở vũ khí quân nhu phục vụ cuộc đấu tranh giải phóng dân tộc, cho đến nay các chủng loại xe đó vẫn được sử dụng do những tính năng tốt của nó và xe UAZ là một ví dụ. Xe UAZ được dùng trong nhiều ngành nhủ lâm nghiệp nông nghiệp, được dùng trong quân đội. Những năm gần đây nước ta đang từng bước phát triển, trong đó ngành cơ khí nói chung và ngành công nghiệp ôtô nói riêng đang được quan tâm đầu tư phát triển. Tại Việt nam đã xuất hiện hơn 10 liên doanh sản xuất lắp ráp ôtô và rất nhiều lĩnh vực phục vụ cho ngành công nghiệp ôtô ra đời. Do nhu cầu tăng cao nên xe UAZ được nhập khẩu mới từ liên bang Nga và được lắp ráp tại Việt Nam. Cùng với sự ra đời của các liên doanh ôtô tại Việt nam rất nhiều chủng loại, giá thành của chúng so với nhiều người dân việt nam là tương đối cao, hơn nữa với địa hình không bằng phẳng nhiều đồi núi đi lại giữa các vùng cần những loại xe có tính năng cơ động cao mà giá thành phải phù hợp. Việc đóng mới xe UAZ là một giải pháp tốt. Là một sinh viên chuyên ngành ôtô việc đi đến thiết kế ôtô là cả một quá trình học hỏi tích luỹ và kinh nghiệm thực tế. Với nhu cầu của xã hội và sự phát triển ngành ôtô ở việt nam việc thiết kế cải tiến chính là nhiệm vụ của người kỹ sư ôtô, bản đồ án này là bước khởi đầu cho người kỹ sư mới ra trường. Đề tài em được giao là: “ Thiết kế cải tiến hệ thống lái xe UAZ có cường hoá điện“ Nội dung các phần thiết kế và tính toán phần i: Giới thiệu chung phần ii: Kiểm nghiệm hệ thống lái xe UAZ phần iii: Thiết kế cải tiến hệ thống lái xe UAZ phần iv: Tối ưu hoá sự điều khiển của hệ thống trợ lực phần v: Chế tạo chi tiết điển hình phần vi: Kết luận Phần I: Giới thiệu chung Một số thông số xe UAZ. Chiều dài toàn bộ : 4025 mm Chiều rộng toàn bộ : 1785mm Chiều cao toàn thể : 2050mm Chiều dài cơ sở : 2380 mm Vệt bánh trước : 1448mm Vệt bánh sau : 1448mm Khối lượng bản thân : Trục trước 1020kg Trục sau 1430kg Khối lượng toàn bộ : Trục trước 890kg Trục sau 760kg Lốp : 8,40-15 Đường kính vô lăng : 380mm Chiều dài đòn quay đứng : 210mm Chiều dài thanh kéo dọc : 850mm Chiều dài thanh ngang : 1320mm Khoảng cách giữa hai tâm trụ đứng : 1280mm Đường kính trục lái : 28mm Máy phát sử dụng trên xe : R250- E1 Điện 12V Tốc độ cực đại của xe : 100km/h Acquy : 60CT-60 Công suất cực đại Nemax : 75ml( 4000v/ph) Cơ cấu lái trục vít lõm có hai bánh con lăn tỉ số truyền 20,3 Giới thiệu về hệ thống lái và hệ thống lái xe UAZ. giới thiệu về hệ thống lái hệ thống lái của ôtô dùng để thay đổi hướng chuyển động hoặc giữ cho ôtô chuyển động theo một hướng nhất định nào đó. Theo sự bố trí của vành tay lái( vôlăng) chia ra hệ thống lái với vôlăng bố trí bên tráI hoặc bên phải. Hệ thống lái có thể được thiết kế để điều khiển hai bánh dẫn hướng ở cầu trước hoặc cả hai bánh cầu trước và hai bánh ở cầu sau. Kết cấu thông dụng của cơ cấu lái gồm có các loại: - bánh răng – thanh răng trục vít lõm( globoit) – con lăn trục vít ecubi- thanh răng bánh răng v.v… để giảm nhẹ cường độ lao động và tăng khả năng linh hoạt của người lái trên các xe ngày nay người ta bố trí trợ lực cho hệ thống lái, trợ lực lái gồm có các loại sau: cường hoá thuỷ lực( được dùng nhiều) cường hoá khí nén cường hoá liên hợp ( thuỷ lực và khí nén) cường hoá điện 2. Yêu cầu của hệ thống lái . hệ thống lái phải đảm bảo khả năng quay vòng nhanh và ngoặt trên những diện tích nhỏ nhẹ nhành trong việc điều khiển ôtô khi quay vòng tại chỗ và khi chuyển động. động học quay vòng đúng, có nghĩa là khi quay vòng tất cả các bánh xe lăn mà không bị trượt ( lăn tinh) Truyền tối thiểu những va đập nghịch đảo lên vành tay lái. Các bánh xe dẫn hướng có khả năng quay về vị trí ban đầu và giữ được hướng chuyển động đã cho của ôtô. Đảm bảo tính chất tuỳ động( chép hình) động học và động lực học, có 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 hướng. Có độ bền lâu và không bị hư hỏng trong toàn bộ thời gian làm việc của ôtô. Thuận tiện trong sử dụng và bảo dưỡng. Hệ thống lái thay đổi hướng chuyển động của ôtô bằng cách xoay các bánh xe dẫn hướng từ vành tay lái thông qua trục lái, cơ cấu lái, và truyền động lái gồm đòn quay đứng , thanh kéo dọc, đòn quay ngang, hình thang lái, cam quay. 1-Vô lăng 2-Trục lái 3-Cơ cấu lái 4-Đòn quay đứng 5-Đòn kéo dọc 6-Hình thang lái 7-Đòn ngang 8-Cam quay 9-Bánh xe dãn hướng Cơ cấu lái có nhiệm vụ biến chuyển động quay tròn của vành lái thành chuyển động góc của đòn quay đứng trong mặt phẳng thẳng đứng và đảm bảo tỷ số truyền theo yêu cầu cần thiết. Cơ cấu lái là hộp giảm tốc để tăng mômen quay của người lái đến các bánh xe dẫn hướng. Cơ cấu lái có 3 thông số đặc trưng cho tính năng của nó : + tỷ số truyền -dq và dW là các góc quay phần tử tương ứng của bánh lái và trục của đòn quay đứng, tỷ số truyền i thể thay đổi hoặc không thay đổi. + 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 +hiệu suất nghịch:hiệu suất nghịch là hiệu suất tính theo lực truyền từ dưới đòn quay đứng lên trục lái, hiệu suất nghịch thường bé hơn hiệu suất thuận một ít. Nếu như hiệu suất thuận bé thì các va đập từ mặt đường tác dụng lên bánh xe dẫn hướng sẽ không truyền lên vành lái được vì chúng bị triệt tiêu bởi ma sát trong cơ cấu lái. Hiệu suất thuận không thể đưa xuống quá thấp vì lúc đó vành tay lái sẽ không tự trả lại được về vị trí ban đầu dưới tác dụng của mômen ổn định. Do đó để đảm bảo khả năng tự trả lái từ vị trí đã quay về vị trí ban đầu và để hạn chế các va đập từ mặt đường trong một phạm vi nào đó thì cơ cấu lài được thiết kế với một hiệu suất nghịch nhất định. 3. Động học quay vòng của ôtô Khi xe vào đường vòng để đảm bảo các bánh xe không bị trượt lết hoặc trượt quay thì đường vuông góc với các vecto vận tốc chuyển động của tất cả các bánh xe phải gặp nhau tại một điểm, điểm đó là tâm quay tức thời của xe. Từ đó suy ra được mối quan hệ giữa các góc quay vòng của hai bánh xe dẫn hướng để đảm bảo cho bánh xe không bị trượt khi vào đường vòng cotga- cotgb = (1) a,b là góc quay bánh xe phía trong và phía ngoài. Với biểu thức trên ta có thể xây dựng được đường cong lý thuyết b =f(a).+ Như vậy về mặt lý thuyết để đảm bảo cho các bánh xe dẫn hướng lăn tinh khi vào đường vòng thì biểu thức (1) phải luôn được đảm bảo. Trong thực tế để duy trì được mối quan hệ động học quay vòng giữa các bánh xe dẫn hướng trên ôtô hiện nay người ta thường phải sử dụng một hệ thống các khâu khớp tạo nên hình thang lái. Hình thang lái đơn giản về mặt kết cấu nhưng không đảm bảo được mối quan hệ chính xác giữa những góc quay vòng của các bánh xe dẫn hướng như trong biểu thức (1) Mức độ sai khác phụ thuộc vào việc chọn lựa kích thước của các khâu tạo nên hình thang lái . để so sánh sự sai khác của mối quan hệ lý thuyết và thực tế giữa các góc quay vòng của bánh xe dẫn hướng bên ngoài và bên trong ta dựng thêm đường cong thực tế a = f( b) độ sai lệch giữa góc quay vòng thực tế và góc quay lý thuyết cho phép lớn nhất ở những góc quay lớn không quá 1°. 4. Cấu tạo hệ thống lái Hệ thống lái của ôtô dùng để thay đổi hướng chuyển động của ôtô bằng cách xoay bánh dẫn hướng. Nó gồm cơ cấu lái và dẫn động lái. Cơ cấu lái có tác dụng giảm bớt lực mà người lái cần tác động vào vòng lái ( vôlăng) Cơ cấu dẫn động lái gồm một loạt đòn bẩy và thanh kéo, có tác dụng xác định tư thế cho bánh dẫn hướng của ôtô làm cho bánh xe quay đi một góc phù hợp với góc quay của vòng lái. Hệ thống lái phải đảm bảo cho ôtô chuyển hướng chính xác, không để những rung động xóc của bánh trước lan truyền tới vòng lái và không đòi hỏi một cường độ lao động quá lớn khi lái xe, muốn cho ôtô rẽ vòng thật chính xác theo quỹ đạo mà người lái muốn thì các bánh xe phải lăn mà không trượt ngang. Muốn vậy các bánh xe phải xoay theo những cung cùng tâm với nhau, tâm này nằm trên đường kéo dài của trục cầu sau, còn các bánh trước, khi ôtô rẽ, thì quay theo những góc khau nhau. Trong trường hợp này, bánh xe phía trong( so với tâm quay) phải xoay 1 góc b lớn hơn, còn bánh xe phái ngoài thì xoay một góc a nhỏ hơn. có thể thực hiện yêu cầu này nhờ cơ cấu đòn bẩy hình thang có khớp nối bản lề. Có nhiều cơ cấu lái, phổ biến nhất là kiểu trục vít - con lăn được dùng trên xe UAZ. Nhờ trục vít có dạng glôbôit cho nên mặc dù chiều dài trục vít không lớn nhưng sự tiếp xúc các răng ăn khớp được lâu hơn và trên diện tích rộng hơn, nghĩa là giảm được áp suất riêng và tăng độ chống mòn. Tải trọng tác dụng lên chi tiết tiếp xúc với nhau được phân tán, tuỳ theo cỡ ôtô mà có thể làm con lăn có hai đến bốn vòng ren, mất mát do ma sát ít hơn nhờ thay ma sát trượt bằng ma sát lăn, có khả năng điều chỉnh khe hở ăn khớp giữa các răng. đường trục của con lăn nằm lệch với đường trục của trục vít một đoạn từ 5 đến 7 mm điều này cho phép triệt tiêu độ hao mòn khi ăn khớp bằng cách điều chỉnh khi sử dụng. Tỷ số truyền của cơ cấu lái ic= sẽ tăng lên từ vị trí giữa đến vị trí rìa khoảng 5-7% nhưng sự tăng này là không đáng kể có thể bỏ qua và coi như ic= const Hiệu suất thuận hth= 0,65 và hiệu suất nghịch hng= 0,65 Dẫn động lái : có nhiệm vụ truyền lực từ cơ cấu lái tới các bánh dẫn hướng phía trước. Nó gồm các thanh kéo và đòn bẩy tạo nên khung hình thang lái. Các cánh tay lựa chọn sao cho đảm bảo được tỷ số đúng đắn giữa các góc xoay bánh dẫn hướng. Cấu tạo của cơ cấu dẫn động laí phụ thuộc vào cơ cấu treo phía trước. ở xe UAZ hệ treo phụ thuộc thì cơ cấu dẫn động lái có đòn dọc và đòn ngang hình thang lái nối với các đòn ngõng lái. Phần II: kiểm nghiệm hệ thống lái xe UAZ. i -xác định lực tác dụng lên vành lái tải trọng tính toán quy định cho hệ thống lái được xác định thông qua mômen cản quay vòng và mômen tác động lớn nhất đặt lên vành tay lái Tính mômen cản quay vòng: Mômen cản quay vòng được tính toán khi xuất hiện lực cản lăn của hai bánh xe ngược chiều nhau có mặt lực Y, mômen ổn định bánh xe dẫn hướng: Mc= M1 + M2 + M3 + M1 momen cản quay vòng gây nên do lực cản lăn M1= 2.P1.c = 2Gbx.f.c Gbx tải trọng tác dụng lên một bánh xe dẫn hướng Gbx = 960/2 = 480 kg F hệ số cản lăn f = 0,015- 0,04 chọn f = 0,015 c tay đòn của lực Pf quay xung quanh trụ đứng , xe con c =10-40 mm M1 = 2480. 0,015.30 = 0,432 kgm + giá trị mômen do Y gây nên M2 được tính cho mỗi bánh xe, phản lực bên lùi sau một đoạn x, giá trị x thừa nhận = 1/4 chiều dài của vết tiếp xúc và gây mômen quay cùng chiều M1 M2 = Y.x ằ 0,14. Gbx. jy. r bx hệ số bám ngang lấy j y = 0,85 rbx bán kính bánh xe rbx = (B +)25,4. l hệ số biến dạng lốp l = 0,93. rbx = 0,93.( 8,4 + 15/2).25,4 = 375,6 mm + giá trị mômen ổn định M3 có giá trị nhỏ nên dùng hệ số c để tính c = 1,07 – 1,15 chọn c = 1,1 Mômen cản tổng cộng lên cầu dẫn hướng được tính : Mc = M1 + 2M2 + M3 = 2. Gbx . ( f.c + 0,14 . jg . rbx). c = 2.480. ( 0,015 . 30+ 0,14. 0,85 . 0,3756).1,1 = 47,67 kGm Mômen truyền lên vành tay lái, cần thiết tính thêm hiệu suất của các truyền động cơ khí trong hệ thống h1 h1 hiệu suất tính đến tiêu hao ở các bề mặt ma sát h1 = 0,5- 0,7 M=2.Gbx(f.c+0,14..rbx.). + Lực tác động lớn nhất ở vành tay lái Pvlmax -Trong tính toán có thể xác định tỉ số truyền của hệ thống lái i= iddl -chọn sơ bộ iddl =1 iccl -đảm nhận toàn bộ tỉ số truyền của hệ thống lái iccl=20,3 R -bán kính vành tay lái R=190mm Pvl = 150-200N -hiệu suất truyền lực M=2.480.(0,015.0,03+0,14.0,85.0,3756).1,1. = 73,34 kGm Lực tác dụng trên vành tay lái: Pmax==35 kG =350 N II - Động học hình thang lái Với kết cấu hinh thang lái đã có sẵn sau đây ta sẽ đi kiểm tra động học hình thang lái tức là khả năng quay vòng ít trượt xuất pháttừ việc tìm mối liên hệ giữa chiều dài các đòn với các góc trong thiết kế Trong đó : L-Chiều dài thanh ngang hình thang lái l - Chiều dài thanh bên hinh thang lái m-Khoảng cách giữa tâm hai trụ đứng q- Góc thiết kế như hình vẽ L=m+2.l.sinq ta có: q =arcsin Để kiểm nghiệm động học hình thang lái,ta phải xây dựng đường đặc tínhhình thang lái lí thuyết và đặc tính hình thang lái thực tế ứng với gócq =7,66 Từ phương trình lý thuyết (1) muốn ôtô quay vòng không trượt thì và phải liên hệ với nhau theo pt: cotg - cotg = Cho trước =1 - 45 tính theo công thức trên lập bảng ta được: 1 5 10 15 20 25 30 35 40 0,9912 4,7871 9,1731 13,1787 16,8091 20,0584 22,9126 25,3518 27,3525 ứng với giá trịta tính lại theo và ta lập được bảng quan hệ giữa và Từ hai bảng trên ta vẽ hai đồ thị trên cùng một hệ trục toạ độ: Nhìn vào đồ thị ta có thể so sánh giữa đường lí thuyết và đường thực tế < 1 vậy hình thang lái của xe đảm bảo yêu cầu iii - Kiểm bền một số chi tiết Trục lái Đường kính vô lăng của xe UAZ= 380mm.Moayo của vành tay láiđược lắp vào đầu côn của trục lái bằng khớp nối then hoa hoặc then bán nguyệt Trục lái được làm bằng thép và được tính theo xoắn bởi momen sinh ra do lực của người lái tác dụng lên vành lái ở đây ta xét trường hợp lực tác dụng lớn nhất và khi không có trợ lực ứng suất xoắn được tinh bằng công thức: MN/m2 ,ứng suất xoắn cho phép Pmax lực lớn nhất trên vành tay lái =350N Rvl bán kính vành lái = 0,19 m D,d đường kính ngoài và đường kính trong của trục lái Xét ứng suất tại mặt cắt nguy hiểm A_A -ứng suất xoắn trục vào: D=28mm d=20mm < Như vậy trục vào đảm bảo độ bền xoắn -ứng suất xoắn trục ra: D=20mm d=14mm < Như vậy trục ra đảm bảo độ bền xoắn 2 .Cơ cấu lái (cặp truyền lực trục vít lõm con lăn) Truyền động loại trục vít con lăn đảm bảo cho các răng có độ bền uốn cao.Bởi thế trong tính toán cần chú ý đến độ chống mòn và độ bền tiếp xúc T: lực chiều của trục F : diện tích tiếp xúc giữa trục vít với con lăn coi như tải trọng truyền lên một đường ren của con lăn t : bước của trục vít t = 5 b : góc nâng của đường ren trục vít R : bán kính vòng lái R = 190 mm F = (j1 - sinj1 ).r12 + (j2 - sinj2 ).r22 j1 = ; j2 = r1 = 22 mm ; r2 = 16 mm Thay số ta có F = 0,052m2 T = =N dchd = MN/m2 3.Đòn Quay Đứng : Đòn quay đứng của cơ cấu lái dùng để truyền chuyển động từ trục thụ động của cơ cấu lái đến đòn dọc của truyền động lái. Đòn quay đứng được nối ghép trên trục của cơ cấu lái bằng cần trục hình vuông hoặc phần trục khía rãnh rộng nối ghép bằng phần trục hình vuông gần như không được sử dụng vì khó đảm bảo lắp ghép chính xác, trên xe UAZ sử dụng ghép nối bằng các rãnh nông, phần dưới của đòn quay đứng được nối với đòn kéo dọc bằng khớp cầu. Thực nghiệm chứng tỏ rằng lực cực đại tác dụng lên đòn dọc thường không quá 0,5G1 (G1 trọng lượng tác dụng lên các bánh trước ôtô ở trạng thái tĩnh ) vì vậy khi tính đòn quay dứng chúng ta lấy lực N nào lớn để tính N1 = 0,5.G1 = 0,5.960 = 480 KG (1) N2 = (2) Pmax : lực người lái tác dụng lên buồng lái R : Bán kính vành lái ic : tỷ số truyền của cơ cấu lái = 20,3 hth : hiệu suất thuận = 0,47 lc : chiều dài đòn quay đứng = 210 mm N2 = KG < N1 vậy ta chọn N1 để tính ứng suất uấn su = Trong đó Mu = N1.lc = 4800.0,21 =1008 Nm Momen chống uốn Wu = a2.b/6 =0,0252.0,020/6 =2,083.10-6 su = = 483,84MN/m2 < [su] = 800 MN/m2 Đòn dọc AB và đòn ngang CD được tính theo uốn dọc và nén. thanh dọc có tác dụng N như đã tính trong phần đòn quay, còn đối với đòn ngang CD sẽ có lực Q tác dụng Lực Q được tính theo công thức: Q = ở đây : Trong đó : Pp - lực phanh tác dụng lên một bánh xe m1p - hệ số phân bố trọng lượng lên cầu dẫn hướng khi phanh khi tính toán lấy bằng 1,4 j - hệ số bám giữa lốp và mặt đường lấy bằng 0,7 a,b – kích hước trên hình vẽ a = 86,5 (mm) b = 145(mm) ứng suất nén Fcd = m2 G1 trọng lượng tác dụng lên một bánh xe dẫn hướng: G1 = 480 kG = 4800.10-6 MN snén = =1,4.10-3 MN/m2 của thanh dọc AB ị snén = của thanh ngang CD ị snén = với FAB và FCD là thiết diện của thanh dọc và thanh ngang Vậy ứng suất dọc nguy hiểm của thanh ngang CD ị sud = của thanh dọc AB ị sud = JAB và JCD mômen quán tính của thiết diện thanh dọc và thanh ngang JCD = E – modun đàn hồi = 2.105 MN/m2 lABvà lCD chiều dài của thanh dọc và thanh ngang lAB=1320mm Q = Từ đó ta có: Hệ số dự chữ bền K: K = Ta thấy K =2,5 nằm trong khoảng cho phép1,25 – 2,5 như vậy là thoả mãn 4.Trụ cầu(rôtuyn): Khớp cầu được bố trí trên đòn kéo dọc, đòn ngang hìng thang lái tải trọng tính toán lấy từ các lực tác dụng lớn nhất theo đòn uấn Để triệt tiêu các khe hở sinh ra do hao mòn các bề mặt ma sát và để làm êm dịu các va đập nhận bởi các bánh dẫn hướng thì các trụ cầu được đặt cạnh các lò xo có thể đặt hoặc chỉ về một phía hoặc ở cả hai phía của trụ cầu lò xo được tính sao cho có khả năng đàn hồi và tự bù khe hở do mòn lực nén khi lắp ráp tính bằng 0,8 giá trị lực truyền qua các đòn nối của chúng Trụ cầu được kiểm tra theo ứng suất rèn dập [scd] = 25-35 MN/m2 chân trụ cầu kiểm tra theo cắt và uốn PHần III: Thiết kế cải tiến hệ thống lái xe UAZ Đặt vấn đề từ công thức mômen cản quay vòng Mc=(2.M1+2.M2) c/h1 ta thấy lực cản quay vòng tỷ lệ thuận với trọng lượng của xe phân bố lên cầu trước. như vậy những xe có trọng tải càng lớn thì lực cản quay vòng càng lớn. Lực cản quay vòng tăng đến một giới hạn nào đó thì người lái sẽ không điều khiển vô lăng được nữa. trong trường hợp đó cần có một bộ phận hỗ trợ người lái khi quay vòng xe. Bộ phận này dùng một nguồn năng lượng khác như chất lỏng áp suất cao, khí nén, điện,… để sinh ra một lực hỗ trợ người lái tác dụng vào vôlăng, bộ phận như vậy gọi là cường hoá lái. Khi hệ thống lái không có trợ lực, lực cực đại mà người lái phải chịu trên vành tay lái như đã tính toán ở trên là 35kg nên điều kiện làm việc của người lái tương đối nặng nhọc. Để tạo điều kiện thuận tiện nhẹ nhàng và tăng sự linh hoạt cho người lái, để giảm bớt cường độ lao động cần giảm nhẹ lực cực đại đặt lên vành tay lái. Vấn đề này được khắc phục bằng việc thiết kế một hệ thống lái của ôtô. Chọn phương án thiết kế trợ lực. Các loại hệ thống trợ lực. Trước đây cường hoá hệ thống lái có hai loại cơ bản là khí nén và thuỷ lực đã trở thành hệ thống trợ lực thông dụng trong nhiều thập niên gần đây cho tới tận bây giờ nó vẫn được sử dụng trên các loại xe khác nhau. Cường hoá khí nén kém hơn cường hoá thuỷ lực và khả năng chịu nén của chất khí kém hơn chất lỏng, cường hoá khí nén chủ yếu dùng ở ôtô tải, ôtô khách với trọng lượng phân bố lên cầu trước 30-70 KN khi hệ thống phanh là phanh khí, để lợi dụng bình khí nén. Cường hoá thuỷ lực có hiệu quả tác dụng cao và tính chất tuỳ động (chép hình) kích thước và khối lượng nhỏ gọn, độ tác động cao( 0,05s), nó còn đóng vai trò của bộ giảm chấn để giảm những va đập từ mặt đường tác động vào hệ thống lái, cho phép giữ được hướng chuyển động đã cho của xe trong trường hợp nguy hiểm, làm việc không có tiếng ồn trừ bơm thuỷ lực. Với những ưu điểm đó nó đã trở thành hệ thống trợ lực truyền thống áp dụng rộng rãi trên các loại xe nhưng bên cạnh đó nó cũng có những nhược điểm. Ngày nay khi hệ thống trợ lực động cơ điện ra đời nó đã đáp ứng nhu cầu về việc tạo ra một nguồn năng lượng mới, năng lượng điện thay thế cho hệ thống thuỷ lực truyền thống. Hệ thống trợ lực điện: Một hệ thống trợ lực tay lái nhờ lực tác dụng từ một môtơ điện một chiều EPAS( electric power steering assisted), nó cũng dựa trên nguyên tắc tương tự như hệ thống lái trợ lực thuỷ lực HPS( hydraulic power steering). EPAS có được nhiều cải tiến nó chỉ tiêu tốn năng lượng khi cần thiết, EPSA làm cho người lái điều khỉên nhẹ nhàng hơn, dễ dàng trong thiết kế lắp đặt trong xe, độ tin cậy cao hơn hệ thống trợ lực bằng thuỷ lực và không ảnh hưởng đến môi trường. Nhờ những thuận lợi đó mà có thể chế tạo những động cơ mạnh hơn có nhiều cải tiến phù hợp với yêu cầu thị hiếu khách hàng. Dưới góc độ về luật pháp xe có hiệu quả hơn tiết kiệm nhiên liệu và giảm thiểu lượng CO2 thải ra. Sự cải tiến này đem lại nhiều lợi ích dễ dàng lắp đặt có khối lượng nhỏ, tất cả những thuận lợi quan trọng cho việc thiết kế lắp đặt trên một chiếc xe du lịch nhỏ, khối lượng của nó nhẹ hơn khối lượng của hệ thống HPS khoảng 5 kg trên một chiếc xe tương tự. EPAS không giống như HPS ở chỗ năng lượng chỉ tiêu tốn khi có yêu cầu, năng lượng không lãng phí khi lái, ở HPS bơm sẽ tiếp tục làm việc kể cả khi hệ thống không yêu cầu trợ lực. Với sự có mặt của EPAS có thể đưa ra khả năng cải tiến về nhiên liệu trên hầu hết các xe khoảng 2-5%. So sánh giữa hệ thống trợ lực bằng động cơ điện và hệ thống trợ lực bằng thuỷ lực HPS và EPAS Với hệ thống HPS nguồn cung cấp năng lượng tách biệt hoàn toàn với hệ thống lái, HPS cần một nguồn năng lượng ( bơm thuỷ lực, xi lanh thủy lực, các van, các đường dầu). để thiết kế HPS là cả một khối lượng công việc đáng kể, một phần ở đó là số lượng đáng kể các thiết bị mà hệ thống yêu cầu, điều đó có nghĩa là HPS không dễ dàng lắp đặt trên xe nhỏ gọn. Hơn nữa nó tiêu thụ năng lượng ở tất cả các công việc của xe. Với hệ thống điều khiển như thế HPS yêu cầu độ chính xác cao trong chế tạo, khi có sự cố về hệ thống trợ lực thì lực của người lái lớn hơn lực lái khi không thiết kế trợ lực do lực cản của chất lỏng trong hệ thống trợ lực. Việc dùng dầu trợ lực cũng là một nhược điểm của nó. Khi thay thế sữa chữa lượng dầu thải ra ảnh hưởng đến môi trường, đó là một trong những vấn đề được các nhà sản xuất ôtô trên thế giới quan tâm. Hệ thống trợ lực lái EPAS được tạo ra từ môtơ điện một chiều đặt trên hệ thống lái. Hệ thống chỉ gồm 2 phần: trục lái với động cơ điện một chiều và một ECU, do đó hệ thống tương đối nhỏ gọn, lắp đặt dễ dàng khối lượng chủ yếu là động cơ điện , hoạt động có hiệu quả cao và đặc biệt chỉ tiêu thụ năng lượng khi hệ thống lái yêu cầu. Với sự nhỏ gọn dùng nguồn năng lượng sạch năng lượng không lãng phí lái . Như HPS bơm sẽ vẫn làm việc thậm chí khi hệ thống không đòi hỏi trợ lực, với EPAS có thể đưa ra khả năng về cải tiến để tiết kiệm nhiên liệu cho ôtô. Với những ưu điểm như trên và sự cần thiết của trợ lực đối với ôtô. em chọn phương án thiết kế trợ lực cho hệ thống lái bằng động cơ điện. sơ đồ và nguyên lý trợ lực: 1-Cảm biến tốc độ 2-Cảm biến momen 3-Hộp giảm tốc 4-Mô tơ và ly hợp điện từ 5-Máy phát 6-Bánh răng lái 7-cảm biến tốc độ đọng cơ 8-Acquy 9-Hộp điều khiển môtơ , ly hợp điện từ và trục vít bánh vít , trục vít một chính là trục động cơ, bánh vít 2 được nối với trục lái 3 thanh xóăn 4 nối trục ra và trục vào, sự thay đổi góc lệch được biến đổi thành chuyển động trượt của 7, bi 8 trên rãnh bi 9. bên trong động cơ là một đồng hồ đo vòng quay chính xác và tiếp điểm xác định vị trí trong rãnh trên thanh trượt. Sự biến đổi chuyển động thanh trượt là chuyển động quay của cảm biến biến áp , mômen lái chuyển thành tín hiệu điện ra nó tương ứng với mômen trên trục lái. Tín hiệu đầu ra của cảm biến biến trở là một trong 5 đầu vào ECU của hệ thống trợ lực, còn lại từ khoá điện, ắc quy, cảm biến tốc độ xe, cảm biến số vòng quay động cơ ECU của hệ thống trợ lực là một máy tính điện tử, tại đó nó xử lý quản lý số vòng quay và dòng điện môtơ điện trợ lực liên quan cả mômen lái và tốc độ xe. Môtơ sau đó sẽ phân chia yêu cầu về mômen và lực cần trợ lực thông qua bộ truyền trục vít bánh vít. Khi có những sai sót không mong muốn những triệu chứng hư hỏng các bộ phận của hệ thống có thể nối tiếp với ECU để xác định nguyên nhân. trong trường hợp không mong muốn, thậm chí hệ thống điện mất an toàn thì hệ thống cơ khí vẫn dùng được, nếu một triệu chứng xảy ra ly hợp điện từ trên động cơ sẽ tách ra và môtơ không được cung cấp điện, lúc đó hệ thống điều khiển sẽ thông báo lỗi bằng đèn báo. Cảm biến biến ( potentiometer) áp nối 2 mạch ( mạch chính và mạch phụ). Tín hiệu của tốc độ động cơ dùng như tín hiệu ảo của tốc độ xe và dùng để kiểm tra cho tốc độ của xe. Hệ thống tích hợp sự an toàn đặc trưng không liên kết, hệ thống có khả năng tự chẩn đoán và có thể bảo vệ mạng điện. hệ thống trợ lực động cơ điện áp dụng cho xe UAZ xe UAZ là xe hai cầu trước đây hệ thống lái không có trợ lực xe có tính năng cơ động cao nhỏ gọn phù hợp với địa hình đường xá Việt Nam được dùng nhiều trong các nghành quân đội kiểm lâm. ngày nay xe được cải tiến nhưng với xe trước đây không khác nhiều vẫn giữ được các đặc điểm cũ. Việc lắp đặt hệ thống trợ lực cho xe là một vấn đề cần được quan tâm, để tăng chất lượng lao động giảm nhẹ cho người lái, để rút ngắn thời gian quay vòng. Hệ thống trợ lực bằng động cơ điện EPAS là một hệ thống mới nó có được nhiều ưu điểm so với hệ thống trợ lực thuỷ lực. Hệ thống trợ lực bằng động cơ điện không cần có xy lanh thuỷ, đường dầu các van điều khiển… hệ thống có khối lượng nhẹ gọn gàng dễ lắp đặt, hệ thống trợ lực thuỷ lực tiêu thụ năng lượng khi xe hoạt động( nổ máy), hệ thống trợ lực bằng động cơ điện chỉ tiêu thụ năng lượng khi yêu cầu trợ lực. Với môi trường không có vấn đề gì phải lưu tâm vì nó dùng năng lượng sạch. Khi hệ thống trợ lực có hỏng hóc hệ thống lái vẫn hoạt động bình thường để xe có thể vào xưởng sữa chữa gần nhất. Do những ưu điểm đó mà có thể áp dụng trên xe UAZ cải tiến vì ngoài các ưu điểm trên hệ thống còn dễ dàng trong lắp đặt hệ thống sửa chữa bảo dưỡng. Tuy nhiên là một hệ thống hiện đại nên giá thành đắt công nghệ chế tạo cao, yêu cầu của hệ thống điều khiển phức tạp. Hệ thống trợ lực bằng động cơ chủ yếu bằng một động cơ điện cùng với ly hợp điện từ và hộp giảm tốc gắn liền với nó, hệ thống tương đối nhỏ gọn nên việc bố trí trên xe không gặp nhiều khó khăn. sau đây em đưa ra 4 phương án bố trí trợ lực trên xe UAZ. phương án 1 1- Vô lăng 2 – Bộ khuếch đại 7 – Cảm biến momen xoắn 4 – Khoá điện 5 – Acquy 6 – Máy phát 3 – Mạch điều khiển 8- Động cơ điện trợ lực 9 – Ly hợp điện từ động cơ điện, ly hợp điện từ và trục vít đặt vuông góc với trục lái, bánh vít được lắp trên trục ra. Thanh xoắn 3 liên kết với trục vào 2 với trục ra 4. khi người lái đánh lái, một góc lệch được tạo ra giữa trục vào 2 và trục ra 4, góc lệch này qua bộ cảm biến mômen xoắn 10 qua bộ khuyếch đại tín hiệu được đưa vào bộ điều khiển 13, tại đó tín hiệu được xử lý và đưa điện áp vào để điều khiển động cơ tương ứng với mômen xoắn trên trục. Hệ thống trợ lực bao gồm môtơ điện 8 và hộp giảm tốc 5 bố trí trên hình thang lái. Phương án này có ưu điểm là thuận tiện trong chế tạo, lắp ráp và thay thế, nó có thể được chế tạo riêng rồi lắp. nhưng với sơ đồ bố trí trên thì khoảng sáng gầm xe giảm, không phù hợp với xe đi trên địa hình xấu, động cơ điện bố trí như trên sẽ ảnh hưởng đến tuổi thọ động cơ, động cơ làm việc không ổn định, cơ cấu không vững chắc. phương án 2 1- Vô lăng 2 – Bộ khuếch đại 7 – Cảm biến momen xoắn 4 – Khoá điện 5 – Acquy 6 – Máy phát 3 – Mạch điều khiển 8- Động cơ điện trợ lực 9 – Ly hợp điện từ Phương án này động cơ điện và hộp giảm tốc được gắn ngay trên trục đòn quay đứng. Phương án bố trí này có phần chắc chắn hơn phương án trợ lực thứ nhất, cơ cấu trợ lực được gắn chặt vào vỏ cơ cấu lái, nhưng nhược điểm của cơ cấu này là khi áp dụng phải thiết kế lại trục đòn quay đứng do đó nó tăng thêm chi phí trong thiết kế cải tiến. c.phương án 3 1- Vô lăng 2 – Bộ khuếch đại 7 – Cảm biến momen xoắn 4 – Khoá điện 5 – Acquy 6 – Máy phát 3 – Mạch điều khiển 8- Động cơ điện trợ lực 9 – Ly hợp điện từ Phương án này cơ cấu trợ lực được lắp vào sau đuôi trục vít, ở phương án này cơ cấu lắp ghép tương đối vững chắc, gọn lắp ráp dễ dàng nhưng có một nhược điểm là phaỉ thiết kế lại trụ lái, dẫn đến tăng chi phí trong thiết kế cải tiến. phương án 4 1- Vô lăng 2 – Bộ khuếch đại 7 – Cảm biến momen xoắn 4 – Khoá điện 5 – Acquy 6 – Máy phát 3 – Mạch điều khiển 8- Động cơ điện trợ lực 9 – Ly hợp điện từ Phương án này cơ cấu trục vít bánh vít và động cơ điện trợ lực được bố trí trước cơ cấu lái trên trục ra, trục vít đặt vuông góc với trục lái, trục của trục vít là trục của động cơ điện nó ăn khớp với trục ra bởi một trục bánh vít được lắp then hoa với trục ra. để đảm bảo các chế độ tải trọng và điều kiện làm việc cũng như các kích thước của nó so với kích thước cơ cấu lái và dẫn động lái trên xe cơ sở trục vít và bánh vít được tính toán ở phần sau. Với sơ đồ bố trí như hình vẽ hệ thống trợ lực tương đối vững chắc, gọn có không gian bố trí các mạch điều khiển, các bộ phận của hệ thống điều khiển bố trí._.