Đồ án thiết kế hệ thống lái xe tải Hyundai 24 tấn HD370 - Phạm Quốc Trị

Đồ án tốt nghiệp thiết kế hệ thống lái xe tải Hyundai 24 tấn HD370. Tài liệu tính toán kết cấu, trợ lực lái và kiểm tra độ bền chi tiết.

• Tác giả: Phạm Quốc Trị
• Người hướng dẫn: Vũ Văn Tấn
• Chuyên ngành: Cơ khí ô tô
• Đề tài: Thiết kế hệ thống lái trên xe cơ sở ô tô HUYNDAI 24 tấn HD 370
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp

Tóm tắt

I. Tổng quan thiết kế hệ thống lái trên xe Hyundai 24 tấn HD 370

Xe tải tự đổ Hyundai HD370 tải trọng 24 tấn là dòng xe chuyên dụng hạng nặng. Xe phục vụ chủ yếu trong lĩnh vực khai khoáng và xây dựng công trình lớn. Tự trọng và tải trọng của xe rất lớn. Do đó, hệ thống lái giữ vai trò quyết định đến tính năng cơ động và độ an toàn vận hành. Đồ án tốt nghiệp thiết kế hệ thống lái trên xe cơ sở ô tô Hyundai 24 tấn HD370 1066904 nghiên cứu toàn diện cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cơ cấu lái. Đề tài tập trung phân tích các thông số hình học cơ bản của xe tải 4 trục. Mục tiêu cốt lõi là xây dựng phương án dẫn động lái tối ưu cho hai cầu trước. Hệ thống lái phải đảm bảo độ ổn định hướng khi xe chạy thẳng ở tốc độ cao. Đồng thời, cơ cấu lái phải tạo lực quay vòng nhẹ nhàng khi xe vào cua ở tốc độ thấp. Việc nghiên cứu này cung cấp cơ sở lý thuyết vững chắc cho ngành kỹ thuật cơ khí ô tô hiện đại.

1.1. Yêu cầu kỹ thuật của hệ thống lái ô tô tải nặng

Hệ thống lái xe tải nặng đòi hỏi độ tin cậy tuyệt đối trong mọi điều kiện đường sá. Hệ thống cần đảm bảo bán kính quay vòng nhỏ để tăng độ linh hoạt. Các đòn dẫn động phải có độ cứng vững cao và chống mài mòn tốt. Tỷ số truyền hệ thống lái phải được lựa chọn hợp lý nhằm giảm lực điều khiển trên vô lăng. Đồng thời, hệ thống lái phải giữ được cảm giác mặt đường cho người lái xe. Khả năng tự trả lái về vị trí thẳng khi thôi tác dụng lực là điều kiện bắt buộc. Các góc đặt bánh xe dẫn hướng cần được tính toán chính xác để giảm hao mòn lốp.

1.2. Đặc điểm kỹ thuật của dòng xe cơ sở Hyundai HD370

Xe Hyundai HD370 sở hữu cấu hình 8x4 với hai cầu trước làm nhiệm vụ dẫn hướng. Chiều dài cơ sở giữa các trục lần lượt là 1700 mm, 3550 mm và 1350 mm. Khoảng cách vết bánh xe trước đạt 2040 mm. Tổng tải trọng toàn bộ của xe lên tới 38.000 kg. Do tải trọng đè lên hai trục trước rất lớn, mô men cản quay vòng tại chỗ là một thách thức kỹ thuật. Việc bố trí hệ thống lái liên kết giữa cầu một và cầu hai đòi hỏi độ chính xác cơ học cao. Dòng xe này sử dụng động cơ công suất lớn, cung cấp nguồn năng lượng dồi dào cho bơm dầu trợ lực.

II. Phân tích vấn đề kỹ thuật hệ thống lái trên xe tải Hyundai HD 370

Xe tải 24 tấn Hyundai HD370 có kết cấu 4 trục với hai trục trước cùng chuyển hướng. Việc dẫn hướng đồng thời hai cầu tạo ra bài toán động học phức tạp. Tâm quay vòng của tất cả các bánh xe phải hội tụ tại một điểm duy nhất trên đường kéo dài của trục cầu sau. Nếu sai lệch động học, lốp xe sẽ bị trượt lết dữ dội khi quay vòng. Điều này làm tăng độ mòn lốp và gây mất ổn định chuyển động. Ngoài ra, lực cản quay vòng tại chỗ của dòng xe này cực kỳ lớn do diện tích tiếp xúc lốp lớn. Nếu không có hệ thống trợ lực thủy lực tối ưu, người điều khiển không thể vận hành phương tiện an toàn. Cơ cấu lái phải chịu ứng suất uốn và xoắn rất cao trong điều kiện chở quá tải. Các đòn kéo dọc, đòn ngang và đòn quay đứng dễ bị biến dạng nếu tính toán kích thước không đạt chuẩn. Đồ án tập trung phân tích sâu những thách thức cơ học này để đưa ra thông số thiết kế tối ưu.

2.1. Động học quay vòng của hệ thống hai cầu dẫn hướng

Nguyên lý quay vòng chính xác đòi hỏi các bánh xe lăn không trượt trên mặt đường. Đối với xe hai cầu dẫn hướng, góc quay của bánh xe cầu thứ nhất và cầu thứ hai không bằng nhau. Bánh xe cầu thứ hai luôn có góc quay nhỏ hơn cầu thứ nhất theo hàm lượng giác cotang. Phương trình Ackermann mở rộng xác định mối quan hệ góc quay giữa các bánh dẫn hướng bên trong và bên ngoài. Nếu tỷ lệ truyền động giữa hai cầu không chuẩn, xe sẽ xuất hiện hiện tượng trượt ngang. Điều này làm giảm đáng kể tuổi thọ lốp và gây nguy hiểm khi vào cua ở tốc độ cao.

2.2. Lực cản quay vòng và áp lực lên cơ cấu lái xe tải

Khi xe đứng yên hoặc chạy chậm, mô men cản quay vòng đạt giá trị cực đại. Mô men này hình thành từ ma sát giữa lốp xe với mặt đường và góc đặt trụ đứng. Tải trọng tĩnh phân bổ lên hai cầu trước của xe Hyundai HD370 vượt mức 10 tấn. Lực cản sinh ra trên vành tay lái nếu không có trợ lực có thể vượt quá 600 N. Con số này vượt xa giới hạn cho phép theo tiêu chuẩn an toàn lao động quốc tế. Do đó, việc xác định chính xác mô men cản quay vòng là tiền đề để tính toán công suất bơm trợ lực thủy lực.

III. Phương pháp thiết kế hệ thống lái trợ lực trên xe Hyundai HD 370

Phương pháp thiết kế hệ thống lái xe Hyundai HD370 lựa chọn cơ cấu lái loại trục vít ê-cu bi kết hợp thanh răng cung răng. Cấu kết này sở hữu hiệu suất truyền động thuận và nghịch rất cao. Nhờ các viên bi tuần hoàn, ma sát trượt được chuyển thành ma sát lăn, giảm tối đa hao mòn chi tiết. Hệ thống trợ lực thủy lực tích hợp sử dụng van phân phối kiểu van xoay hiện đại. Van xoay phản ứng tức thì với mô men tác động trên vành lái thông qua thanh xoắn định tâm. Đồ án tiến hành tính toán chi tiết hình thang lái Đantô cho cả hai cầu dẫn hướng. Góc nghiêng đòn bên và chiều dài các đòn dẫn động được xác định bằng phương pháp giải tích kết hợp đồ thị. Đường đặc tính quay vòng thực tế tiệm cận sát đường đặc tính lý thuyết. Hệ thống bơm dầu cánh gạt dẫn động từ trục khuỷu động cơ cung cấp lưu lượng và áp suất ổn định cho xi lanh lực.

3.1. Tính toán hình thang lái và kích thước các đòn dẫn động

Đồ án xác định kích thước hình thang lái dựa trên khoảng cách giữa hai tâm trụ xoay đứng Bo bằng 1850 mm. Chiều dài đòn bên m và góc nghiêng ban đầu alpha được tối ưu hóa qua phương trình phi tuyến. Đòn kéo dọc trung gian liên kết giữa đòn quay đứng cầu một và đòn chuyển hướng cầu hai được kiểm nghiệm bền uốn và bền kéo nén. Vật liệu chế tạo các đòn dẫn động là thép hợp kim 40Cr có giới hạn chảy cao. Ứng suất tính toán trên các thanh đòn đều nằm trong giới hạn an toàn cho phép với hệ số an toàn lớn hơn 2.5.

3.2. Thiết kế trợ lực lái thủy lực kiểu van xoay tích hợp

Trợ lực lái thủy lực kiểu van xoay mang lại độ nhạy cao và cảm giác lái chân thực. Xi lanh lực được bố trí tích hợp ngay trong vỏ cơ cấu lái để tiết kiệm không gian. Đường kính xi lanh và hành trình piston được tính toán dựa trên áp suất làm việc tối đa 13 MPa. Bơm trợ lực cánh gạt đảm bảo lưu lượng dầu từ 16 đến 22 lít/phút. Van tiết lưu và van an toàn duy trì áp suất ổn định khi động cơ thay đổi số vòng quay. Thanh xoắn định tâm có độ cứng được hiệu chỉnh chính xác để đảm bảo phản hồi mặt đường chuẩn xác.

IV. Đánh giá ứng dụng đồ án thiết kế hệ thống lái ô tô Hyundai HD 370

Kết quả tính toán thiết kế hệ thống lái trên xe Hyundai HD370 đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn an toàn kỹ thuật quốc gia. Lực cực đại tác dụng lên vành tay lái khi quay vòng tại chỗ giảm xuống dưới 45 N. Đây là mức lực vận hành êm ái, giúp giảm thiểu căng thẳng cho lái xe đường dài. Góc quay vành lái lớn nhất đạt 2.2 vòng về mỗi phía, đảm bảo tính linh hoạt tối đa trong không gian hẹp. Đồ án cung cấp bộ bản vẽ kỹ thuật chi tiết bao gồm cụm cơ cấu lái, hình thang lái và sơ đồ thủy lực. Nghiên cứu mang tính thực tiễn cao, có thể ứng dụng trực tiếp vào công tác bảo dưỡng và sửa chữa xe tải nặng. Ngoài ra, tài liệu này là nguồn tham khảo học thuật giá trị cho sinh viên ngành công nghệ kỹ thuật ô tô khi thực hiện đồ án chuyên ngành và đồ án tốt nghiệp.

4.1. Hiệu quả cải thiện lực lái và độ an toàn vận hành

Hệ thống lái trợ lực thủy lực mới giúp giảm đến 85% lực cản tác động lên tay người lái. Xe duy trì hướng chuyển động ổn định khi di chuyển trên địa hình gồ ghề hoặc khi gặp sự cố nổ lốp trước. Trục vít ê-cu bi có tỷ số truyền biến thiên nhẹ giúp tăng khả năng kiểm soát ở dải tốc độ cao. Cảm giác lái chân thực từ thanh xoắn giúp người điều khiển nhận biết rõ ràng độ bám của bánh xe. Thời gian phản hồi của hệ thống giảm xuống dưới 0.15 giây, tăng cường độ an toàn chủ động cho phương tiện.

4.2. Khả năng ứng dụng thực tế và giá trị học thuật

Đồ án tốt nghiệp thiết kế hệ thống lái xe Hyundai 24 tấn HD370 mã 1066904 là tài liệu tham khảo chất lượng cao. Các bước tính toán từ động học, động lực học đến độ bền chi tiết đều có công thức rõ ràng. Kết quả nghiên cứu hỗ trợ hiệu quả cho kỹ sư tại các trạm đăng kiểm và xưởng dịch vụ bảo dưỡng xe thương mại. Sinh viên ngành ô tô có thể sử dụng phương pháp tính toán này cho các dòng xe tải nhiều cầu tương đương. Đề tài đóng góp thiết thực vào việc chuẩn hóa quy trình thiết kế cơ khí ô tô trong nước.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. NHỮNG VẨN ĐỀ CHUNG CỦA HỆ THỐNG LÁI 1. CÔNG DỤNG PHÂN LOẠI YÊU CẦU CỦA HỆ THỐNG LÁI 1.1 Công dụng 7 Hệ thống lái là hệ thống điều khiển hướng chuyển động của ô tô nhờ quay vòng các bánh xe dẫn hướng, với nhiệm vụ thay đổi hoặc giữ nguyên hướng chuyển động theo ý muốn của người lái. Hệ thống lái có ảnh hưởng rất lớn đến an toàn chuyển động của xe nhất là ở tốc độ cao, do đó chúng không ngừng được hoàn thiện theo thời gian.

Việc điều khiển hướng chuyển động của xe được thực hiện nhờ vô lăng (vành lái), trục lái (truyền chuyển động quay từ vô lăng tới cơ cấu lái), cơ cấu lái (tăng lục quay của vô lăng để truyền mô men lớn hơn tới các thanh dẫn động lái), và các thanh dẫn động lái (truyền chuyển động từ cơ cấu lái đến các bánh xe dẫn hướng). Kết cấu lái phụ thuộc vào cơ cấu chung của từng loại xe. Để quay vòng được thì người lài cần phải tác dụng vào vô lăng một lực, đồng thời để quay vòng được thì cần có một phản lực sinh ra từ mặt đường lên bánh xe. Để quay vòng đúng thì các bánh xe dẫn hướng quay trên những đường tròn đồng tâm với nhau, đó là tâm quay tức thời khi quay vòng.

Phân loại Có nhiều cách để phân loại hệ thống lái ô tô: a) Phân loại theo phương pháp chuyển hướng. + Chuyển hướng hai bánh xe cầu trước. + Chuyển hướng tất cả các bánh xe. b) Phân loại hệ thống lái theo đặc tính truyền lực.

+ Hệ thống lái cơ khí. + Hệ thống lái cơ khí có trợ lực bằng thủy lực hoặc bằng khí nén. c) Phân loại theo kết cấu của cơ cấu lái. + Cơ cấu lái kiểu trục vit lõm –con lăn.

8 + Cơ cấu lái kiểu trục vít – răng rẻ quạt và trục vít đai ốc. + Cơ cấu lái kiểu trục vít – thanh răng. 9 + Cơ cấu lái kiểu bánh răng – thanh răng. + Cơ cấu lái kiểu bi tuần hoàn.

d) Phân loại theo bố trí vành lái. + Bố trí vành lái bên phải. + Bố trí vành lái bên trái. e) Phân loại theo kết cấu đòn dẫn động.

+ Dẫn động lái một cầu. + Dẫn động lái hai cầu. Yêu cầu đối với hệ thống lái. An toàn chuyển động trong giao thông vận tải bằng ô tô là chỉ tiêu hàng đầu trong việc đánh giá chất lượng thiết kế và sử dụng phương tiện hiện nay.

Một trong các hệ thống quyết định đến tính toán và ổn định chuyển động của ô tô là hệ thống lái. Để đảm bảo tính êm dịu chuyển động, hệ thống lái cần đảm bảo các yêu cầu sau. + Hệ thống lái phải đảm bảo dễ dàng điều khiển, nhanh chóng và an toàn + Đảm bảo ổn định bánh xe dẫn hướng. + Đảm bảo khả năng quay vòng hẹp dễ dàng.

+ Đảm bảo lực lái thích hợp. + Hệ thống lái không được có độ dơ lớn. + Đảm bảo khả năng quay vòng bị động của xe. + Đảm bảo khả năng an toàn bị động của xe.

+ Đảm bảo tỷ lệ thuận giữa góc quay vô lăng với góc quay bánh xe dẫn hướng. + Không đòi hỏi người lái xe một cường độ lao động quá lớn khi điều khiển ô tô. VẤN ĐỀ QUAY VÒNG, DẪN HƯỚNG ĐỐI VỚI Ô TÔ 11 1. Vấn đề quay vòng của xe.

Có nhiều phương pháp để quay vòng đối với ô tô. Cụ thể là: Quay vòng nhờ điều khiển các bánh xe dẫn hướng. Tùy theo loại ô tô, số bánh xe dẫn hướng có thể từ 1 – 4 bánh. Thông thường đối với các loại xe du lịch, xe tải nhỏ, trung bình thì sử dụng hai bánh trước dẫn hướng.

Còn đối với xe có tải trọng lớn, Xe con có tính năng thông qua cao thì sử dụng 4 bánh xe dẫn hướng. - Quay vòng bằng cách bẻ gẫy thân xe. Không có bánh xe dẫn hướng, khi quay vòng nhờ khớp nối giữa thân xe là khớp động di chuyển, làm tâm quay vòng chuyển hướng. - Quay vòng nhờ lực kéo trên các bánh chủ động khác nhau.

Quay vòng máy kéo loại bánh xích có hai loại: Loại cơ cấu quay vòng với một dòng công suất đến các bánh chủ động và loại có hai dòng công suất đến bánh chủ động. Loại máy kéo bánh xích quay vòng nhờ lực kéo trên các bánh chủ động khác nhau. Các trạng thái quay vòng của xe. Sự chuyển động và thay đổi hướng chuyển động của xe trên đường là một quá trình phức tạp.

Nếu cho xe chuyển động trên đường vòng với tốc độ chậm, thì cứ ứng với mỗi vị trí góc quay vành lái nhất định  vl , xe sẽ quay vòng với một bán kính R0 tương ứng. Trạng thái quay vòng này có thể coi là “quay vòng tĩnh”. Mối tương quan giữa góc quay vành lái  vl với bán kính R0 là mối tương quan lý thuyết. Trạng thái quay vòng này gọi là quay vòng đủ.

Trong thực tế quá trình quay vòng là “động”, trang thái “quay vòng đủ” rất ít sẩy ra. Chúng ta thường gặp trạng thái “quay vòng thiếu” và 12 “quay vòng thừa”. Các trạng thái quay vòng động sẩy ra trên cơ sở của việc tăng tốc độ chuyển động và sự đàn hồi của bánh xe, hệ thống lái. 13 Quay vòng thiếu: Với góc quay vành lái vẫn thực hiện là  vl song bán kính quay vòng thực tế lại lớn hơn bán kinh R0.

khi đó để thực hiện quay vòng, người lái phải tăng góc vành lái một   vl. lượng Quay vòng thừa: Khi góc quay vành lái là  vl , bán kính quay vòng thực tế nhỏ hơn bán kinh R0. Để xe chuyển động với bán kinh R0 người lái phải giảm góc quay vành lái một lượng   vl. R o R bx R bx R o a) b) Hình 1.1: Các trạng thái quay vòng của ô tô a) Quay vòng thừa b) Quay vòng thiếu  vt  const  vt  const Rqv  Ro Rqv  Ro 1.

Vấn đề dẫn hướng của xe. Dựa vào nhiều yếu tố như điều kiện khai thác kĩ thuật, thời tiết, khí hậu vv. mà người ta thiết kế các xe có hệ thống lái khác nhau. Xe có số cầu dẫn hướng từ 1 – 2 cầu.

Xe có một cấu dẫn hướng: thường sử dụng với các xe ô tô du lịch, ô tô 14 thường, ô tô có tải trọng nhỏ. 15 Xe có hai cầu dẫn hướng: Thường ứng dụng với các xe ô tô tải cỡ trung bình, cỡ lớn và có tính năng thông qua cao. CÁC GÓC ĐẶT BÁNH XE DẪN HƯỚNG. Mặt phảng quay của bánh xe dẫn hướng của ô tô thường không nằm trong mặt phẳng góc với mặt đường, mà được bố trí lệch ra phía ngoài một góc  , gọi là góc nghiêng ngang của bánh xe dẫn hướng.2: Góc nghiêng ngang của bánh xe dẫn hướng Góc này có tác dụng sau: + Tránh cho các bánh xe dẫn hướng nghiêng vào trong, do đó tác dụng của tải trọng phần trước ô tô, khi các ổ đỡ của trụ quay đứng và vòng bi moay ơ bánh xe dẫn hướng bị mòn.

+ Giảm cánh tay đòn a của phản lực tiếp tuyến đối với trụ quay, do đó giảm được tải trọng của hệ thống truyền động lái và lực điều khiển vành lái của người lái xe khi quay vòng ô tô. Tuy nhiên khi đặt bánh xe dẫn hướng sẽ tồn tại một số vấn đề sau đây: + Làm tăng góc lệnh  của bánh xe khi phản lực ngang của đường có chiều ngược lại với chiều nghiêng của bánh xe và làm tăng lực cản lăn. + Bánh xe có khuynh hướng lăn theo một cung tròn tâm O, trong khi nó bắt buộc phải chuyển động tịnh tiến theo tốc độ của xe. Vì vậy ở khu vực tiếp 16 xúc của bánh xe và mặt đường sẽ xuất hiện hiện tượng trượt ngang của lốp.3: Góc nghiêng ngang  và khuynh hướng lăn tự do của bánh xe dẫn hướng Để khắc phục tình trạng này, người ta còn đặt bánh xe dẫn hướng theo một độ chụm.

Độ chụm: Được xác định bằng hiệu số khoảng cách A và B giữa phía trước và phía sau của hai bánh xe dẫn hướng. Chọn đúng mối tương quan giữa góc nghiêng ngang và độ chụm thì hiện tượng trượt ngang sẽ không còn tồn tại. Và trành được sự mài mòn của lốp xe do hiện tượng này gây lên.4: Độ chum của bánh xe dẫn hướng 17 1. Cấu tạo chung của hệ thống lái.5 Sơ đồ cấu tạo hệ thống lái 1: Vành lái, 2: Trục lái, 3: Cơ cấu lái, 4: Đòn quay đứng, 5: Thanh kéo dọc, 6: Đòn quay ngang, 7: Hình thang lái * Nguyên lý làm việc: khi đánh lái, người lái tác động lên vành tay lái (1) qua trục lái (2) dẫn đến cơ cấu lái (3).

Chuyển động từ cơ cấu lái được đưa đến bộ phận dẫn động lái thông qua các đòn quay đứng. Dẫn động lái 18 gồm thanh kéo dọc (5), đòn quay bên (6) hình thang lái và các cam quay bên trái, bên phải làm quay bánh xe ở hai bên. a) Vành lái: Vành lái có dạng hình tròn, có các gân nan hoa bố trí quanh vành trong của vành tay lái. Để quay vòng xe, người lái cần tác dụng một lực lên vô lăng để tạo ra mô mem quay vòng, khi đó hệ thống lái sẽ làm việc.

b) Trục lái: Có nhiệm vụ truyền mô men lái xuống cơ cấu lái. Trục lái gồm có trục lái chính, có thể truyền chuyển động quay vô lăng xuống cơ cấu lái. Đầu phía trên của trục lái chính được gia công ren và lỗ lắp then hoa để lắp then hoa lên đó và được giữ chặt bằng một đai ốc. c) Cơ cấu lái: Là một giảm tốc đảm bảo tăng mô men tác động của người lái đến các bánh xe dẫn hướng, chúng có chức năng giảm lực đánh lái bằng cách tăng mô men đầu ra.

Tỷ số giảm tốc được gọi là tỷ số truyền của cơ cấu lái và thường bằng 21 – 25 đồi với xe tải. d) Dẫn động lái: Bao gồm tất cả các chi tiết truyền lực từ cơ cấu lái đến trục đứng của bánh xe. Vì vậy nó cần đảm bảo các chức năng sau: + Nhận chuyển động từ cơ cấu lái đến các bánh xe dẫn hướng. + Đảm bảo quay vòng các bánh xe dẫn hướng sao cho không sẩy ra hiện tượng trượt ở tất cả các bánh xe dẫn hướng, đồng thời tạo liên kết giữa các bánh xe dẫn hướng.

+ Phần cơ bản của dẫn động lái là hình thang lái được tạo bởi cấu trước, đòn ngang và đòn dọc.