Bài Giảng Thiết Kế Hệ Thống Lái - PGS. Nguyễn Lê Duy Khải (ĐHBK TPHCM)

Tổng quan về thiết kế hệ thống lái ô tô. Tìm hiểu nguyên lý, chức năng, cách chọn phương án cơ cấu lái và dẫn động lái cho xe du lịch, xe tải.

• Tác giả: Nguyễn Lê Duy Khải
• Trường học: Đại học Bách Khoa TP.HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật ô tô
• Đề tài: Thiết Kế Hệ Thống Lái Ô Tô: Nguyên Lý & Các Phương Án
• Loại tài liệu: Bài giảng
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Chức Năng và Điều Kiện Làm Việc của Hệ Thống Lái Ô Tô

Hệ thống lái ô tô là một trong những bộ phận quan trọng nhất của phương tiện, đảm bảo an toàn và khả năng điều khiển. Chức năng chính của hệ thống này bao gồm điều khiển các bánh xe dẫn hướng một cách chính xác, duy trì lực lái phù hợp với điều kiện đường xá, và truyền tải cảm giác đường tới người lái. Ngoài ra, hệ thống lái phải hấp thụ phần lớn tải trọng đường truyền lên vành tay lái để bảo vệ người lái khỏi các tác động mạnh. Điều kiện làm việc của hệ thống lái rất đa dạng, từ chuyển động thẳng đến quay vòng ngặt, đặc biệt khi quay vòng tại chỗ với vận tốc bằng không. Tại những điểm này, moment cản quay vòng đạt giá trị cực đại, đòi hỏi thiết kế phải đủ mạnh để chịu được tải trọng này.

1.1. Các Chức Năng Cơ Bản của Hệ Thống Lái

Chức năng hệ thống lái bao gồm: điều khiển bánh xe dẫn hướng chính xác, duy trì lực lái thích hợp, truyền cảm giác đường, hấp thụ tải trọng, và bảo đảm hoạt động hệ thống treo. Mỗi chức năng đều cần được thiết kế tối ưu để đạt hiệu suất cao nhất.

1.2. Yêu Cầu Kỹ Thuật và Điều Kiện Làm Việc

Yêu cầu kỹ thuật bao gồm: đạt bán kính quay vòng nhỏ nhất, đảm bảo động học quay vòng đúng, ổn định chuyển động thẳng. Hệ thống phải phù hợp khả năng con người điều khiển, có độ chính xác cao, kết cấu đơn giản, dễ bảo dưỡng.

II. Chọn Phương Án Thiết Kế Hệ Thống Lái

Quá trình chọn phương án thiết kế hệ thống lái là bước quan trọng quyết định hiệu suất và độ an toàn của toàn bộ hệ thống. Hiện nay, cơ cấu hình thang lái được sử dụng phổ biến trong dẫn động lái, vì hầu hết các chi tiết khác không có phương án chọn thứ hai. Cơ cấu lái gồm cụm truyền động (vành tay lái, các đòn bên dưới) và hộp tay lái có tỷ số truyền lớn. Chỉ hộp tay lái là có nhiều phương án để chọn, chia thành hai kiểu chính: kiểu hộp (trục vít - cung răng, trục vít - ecu, trục vít - con lăn) và kiểu thước (trục vít - thanh răng). Lựa chọn phương án phù hợp tùy thuộc vào loại xe, điều kiện lái cụ thể, và yêu cầu về hiệu suất, độ tin cậy, giá thành.

2.1. Các Cụm Cơ Bản và Loại Hộp Tay Lái

Hộp tay lái là chi tiết có nhiều phương án chọn nhất. Kiểu hộp bao gồm: trục vít - cung răng (hiệu suất 0.5), trục vít - ecu (hiệu suất 0.5-0.4), trục vít - con lăn (hiệu suất 0.65), trục vít - chốt quay (hiệu suất 0.7). Kiểu thước dùng trục vít - thanh răng với kết cấu đơn giản hơn.

2.2. Tiêu Chí Lựa Chọn cho Các Loại Xe

Xe du lịch và xe tải nhẹ chọn kiểu thước vì kết cấu đơn giản, giá thành thấp, dễ bảo dưỡng. Xe tải trung bình, lớn nên chọn kiểu hộp để đảm bảo độ bền. Lựa chọn bộ truyền có tỷ số truyền thay đổi hoặc cố định tùy thuộc điều kiện lái cụ thể và yêu cầu hiệu suất.

III. Thiết Kế Bố Trí Chung và Tính Toán Hệ Thống Lái

Sau khi chọn phương án thiết kế, bước tiếp theo là thiết kế bố trí chung dựa trên sơ đồ nguyên lý của các cụm. Tỷ số truyền động được tính theo công thức tùy thuộc vào góc quay vành lái (khoảng 440 độ) và góc quay bánh xe (khoảng 35 độ). Tỷ số truyền lực được xác định từ moment cản quay vòng cực đại và lực tác động lên vành lái. Tính toán lực tác động lên vành lái (Pvl) phải nhỏ hơn giá trị cho phép [Pvl] để đảm bảo phù hợp khả năng con người. Nếu không thỏa mãn, phải cường hóa hệ thống lái thủy lực. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng cường hóa chỉ bằng giá trị cần thiết, không nên quá lớn vì người lái sẽ mất cảm giác khi lái, gây nguy hiểm.

3.1. Tính Toán Tỷ Số Truyền và Lực Lái

Tỷ số truyền động được tính từ góc quay vành lái và bánh xe. Tỷ số truyền lực (itl) được xác định từ moment cản quay vòng cực đại chia cho tích của lực lái và bán kính vành lái. Công thức: itl = Mcqvmax / (Pvl × Rvl). Lực tính được phải kiểm tra với giá trị cho phép.

3.2. Cường Hóa Lái Thủy Lực và Khống Chế Áp Lực

Nếu lực lái (Pvl) vượt quá giá trị cho phép, cần cường hóa lái thủy lực với giá trị Pch = Pvl - [Pvl]. Khống chế cường hóa bằng van điều áp ở bơm dầu. Cường hóa quá lớn làm người lái mất cảm giác đường, nguy hiểm khi lái.

IV. Hiệu Suất Hệ Thống Lái và Các Chi Tiết Thiết Kế

Hiệu suất hệ thống lái là chỉ số quan trọng phản ánh chất lượng truyền động và khả năng tương tác giữa người lái với cơ cấu lái. Hiệu suất thuận là hiệu suất đường truyền từ vành lái đến cơ cấu lái, nói lên khả năng tác động của người lái. Hiệu suất nghịch là khả năng tác động ngược lại từ cơ cấu lái tới vành lái, giúp người lái cảm nhận phản hồi từ đường. Các loại cơ cấu lái có hiệu suất khác nhau: trục vít - cung răng (0.5/0), trục vít - con lăn (0.65/0.5), trục vít - chốt quay (0.7/0.7). Góc đặt bánh xe bao gồm góc camber, góc toe-in, góc caster - những yếu tố ảnh hưởng đến ổn định chuyển động và độ bền của hệ thống lái. Thiết kế các chi tiết như đòn quay, đòn kéo, thanh ngang phải đảm bảo độ cứng, độ chính xác cao, giảm độ rơ của các khớp nối.

4.1. Hiệu Suất Thuận và Nghịch của Các Cơ Cấu Lái

Hiệu suất thuận biểu thị khả năng người lái tác động lên cơ cấu. Hiệu suất nghịch biểu thị phản hồi từ đường về tay lái. Trục vít - con lăn có hiệu suất cao (0.65/0.5), phù hợp xe hiện đại. Trục vít - chốt quay có hiệu suất nhất quán (0.7/0.7), dùng cho xe tải cường hóa.

4.2. Góc Đặt Bánh Xe và Chi Tiết Thiết Kế

Góc camber, toe-in, caster là các yếu tố thiết kế góc bánh xe ảnh hưởng ổn định. Đòn quay, đòn kéo, thanh ngang phải thiết kế chính xác, giảm độ rơ khớp nối. Các chi tiết phải chịu được tải trọng động lớn, đặc biệt ở hình thang lái kiểu phụ thuộc và độc lập.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 8 Thiết kế hệ thống lái PGS. Nguyễn Lê Duy Khải nldkhai@yahoo.8039 ĐHBK TPHCM - 2018 - 1 Nội dung 1. Chức năng, điều kiện làm việc 2. Chọn phương án thiết kế hệ thống lái 4.

Thiết kế bố trí chung hệ thống lái 5. Thiết kế kỹ thuật hệ thống lái 6. Góc đặt bánh xe 2 1.a Chức năng hệ thống lái + Điều khiển các bánh xe dẫn hướng một cách chính xác. + Duy trì lực lái phù hợp.

+ Truyền được cảm giác đường tới người lái. + Hấp thụ phần lớn tải trọng đường truyền lên vành tay lái. + Bảo đảm hoạt động hệ thống treo.b Điều kiện làm việc + Hệ thống lái điều khiển hướng chuyển động của ô tô: thẳng + quay vòng. + Tải trọng lên hệ thống lái là moment cản quay vòng, Mcqv.

+ Mcqv đạt giá trị max khi quay vòng ngặt (rqv min) và khi quay vòng tại chỗ (va = 0). Yêu cầu kỹ thuật: • Phải đạt được bán kính quay vòng nhỏ nhất cho phép của đường. Tối ưu nhất là rqvmin = 0 (quay vòng tại chỗ). • Đảm bảo điều kiện về động học quay vòng đúng: Khi quay vòng thì tất cả bánh xe phải lăn không trượt trên đường.

• Ổn định chuyển động thẳng. Yêu cầu đặc trưng: Hệ thống lái hiện nay vẫn phải do con người điều khiển  HTL phải phù hợp khả năng con người: • [Pvl], [rvl], [vl] • Độ chính xác khi điều khiển: đặc trưng bởi độ rơ của các chi tiết trong HTL. Yêu cầu chung: • Kết cấu đơn giản, kích thước trọng lượng nhỏ; • Công nghệ chế tạo đơn giản, dễ bảo dưỡng, … 5 3. Chọn phương án thiết kế 1.

Chọn các cụm cơ bản: • Cơ cấu lái: dẫn động từ vành tay lái đến một bánh xe dẫn hướng. • Dẫn động lái: dẫn động từ một bánh xe dẫn hướng sang các bánh xe dẫn hướng khác. Vaønh laùi; 2. Ñoøn keùo doïc; 7.

Hình thang laùi; 11. Truïc baùnh xe 6 3. Chọn phương án thiết kế Hệ thống lái trong hệ thống treo độc lập 7 3. Chọn phương án thiết kế • Hiện nay chỉ dùng cơ cấu hình thang lái để dẫn động lái.

Hầu như các chi tiết trong hệ thống lái không có phương án chọn thứ hai  thiết kế hệ thống lái đơn giản. • Cơ cấu lái gồm:  Cụm truyền động: Vành tay lái, các đòn bên dưới.  Hộp tay lái: có tỷ số truyền lớn, thay đổi phương truyền động. Chỉ còn hộp tay lái là có nhiều phương án để chọn.

 Có hai kiểu: o Kiểu hộp: trục vít – cung răng trục vít – ecu – cung răng trục vít – ecu bi – cung răng trục vít - con lăn o Kiểu thước: trục vít – thanh răng 8 3. Chọn phương án thiết kế Trục lái – Vành tay lái 9 3. Chọn phương án thiết kế a b Trục lái 10 3. Chọn phương án thiết kế Cơ cấu lái trục vít – cung răng đặt giữa Hiệu suất thuận 0.5; hiệu suất nghịch 0.

Chọn phương án thiết kế Cơ cấu lái trục vít – cung răng đặt bên Hiệu suất thuận 0.5; hiệu suất nghịch 0.4 Nhược điểm: + Hiệu suất thấp, 2 R0 + Trọng lượng và kích i  thước tương đối lớn, t + Điều chỉnh khó. Ro : bán kính vòng tròn cơ sở của cung răng 12 t : bước của mối răng trục vít 3. Chọn phương án thiết kế Cơ cấu lái trục vít – con lăn Hiệu suất thuận 0.65; hiệu suất nghịch 0.5 2 r2 r2 : bán kính vòng tròn ban đầu của trục vít i  t : bước của trục vit tz1 z1: số đường ren trục vít 13 3. Chọn phương án thiết kế Cơ cấu lái trục vít – chốt quay Hiệu suất thuận = nghịch = 0.7; 2 r2 i  cos  : góc quay của tay chuyển hướng t r2 : bán kính đòn quay  Ô tô tải và khách không cường hóa 14 3.

Chọn phương án thiết kế Cơ cấu lái trục vít – ê cu bi cung răng 15 3. Chọn phương án thiết kế Cơ cấu lái trục vít – ê cu bi cung răng 16 3. Chọn phương án thiết kế Cơ cấu lái bánh răng – thanh răng 17 3. Chọn phương án thiết kế Cơ cấu lái bánh răng – thanh răng 18 3.

Chọn phương án thiết kế Đòn quay 19 3. Chọn phương án thiết kế Đòn kéo 20 3. Chọn phương án thiết kế Hình thang lái 21 3. Chọn phương án thiết kế Sơ đồ các loại hình thang lái 22 3.

Chọn phương án thiết kế Tay khuyûu Cô caáu laùi Thanh ngang Ñoøn keùo doïc Tay pitman Ñaàu thanh ngang Hình thang lái kiểu phụ thuộc 23 3. Chọn phương án thiết kế Hình thang lái kiểu độc lập 24 3. Chọn phương án thiết kế Ñaàu thanh ngang Cô caáu laùi Ñaàu thanh raêng Cam quay Thanh răng kết hợp làm hình thang lái 25 3. Chọn phương án thiết kế Lưu ý động học hệ thống treo 26 3.

Chọn phương án thiết kế 2. Chọn phương án: • Xe du lịch, xe tải nhẹ: chọn kiểu thước vì kết cấu đơn giản, giá thành thấp. • Xe tải trung bình, lớn: chọn kiểu hộp. • Tùy thuộc điều kiện lái cụ thể, chọn bộ truyền có tỷ số truyền thay đổi hoặc cố định.

Thiết kế bố trí chung HTL Sau khi chọn phương án, có sơ đồ nguyên lý của các cụm. • Tỷ số truyền động:  440o itd  vl trung binh  bx 35o • Tỷ số truyền lực: M canquayong max theoLTOT itl   M vl Pvl .Rvl Tính ra Pvl < [Pvl]. Nếu không thỏa mãn phải cường hoá: Pch = Pvl – [Pvl]. Chú ý: Cường hoá chỉ bằng giá trị trên, không nên cường hoá lớn hơn.

Nếu Pch quá lớn thì Pvl sẽ nhẹ đi, người lái không còn cảm giác khi lái  nguy hiểm. Giải pháp: Khống chế Pch ở một giá trị cho phép bằng cách thêm van điều áp ở bơm dầu trong hệ thống cường hoá lái thủy lực. Thiết kế bố trí chung HTL • Hiệu suất thuận: Là hiệu suất đường truyền từ vành lái đến cơ cấu lái  nói lên khả năng tác động của người lái đến cơ cấu lái. • Hiệu suất nghịch: Nguợc lại  khả năng tác động cuả các dao động ở bánh xe dẫn hướng truyền lên vành tay lái.

Hiệu suất nghịch lớn  người lái dễ mệt khi đuờng xấu. Hiệu suất nghịch quá nhỏ  người lái không còn cảm giác về mặt đường tốt xấu. Vậy mong muốn h/suất thuận càng lớn càng tốt, h/suất nghịch trong khoảng cho phép. Thiết kế kỹ thuật HTL 1.

Vành tay lái: chọn bán kính vành tay lái. Hiện nay vành lái còn tác dụng trang trí  có nhiều kiểu kết cấu để tạo thẩm mỹ cao. Trục lái: góc đặt trục nhỏ hơn 90o. Góc càng nhỏ thì khả năng tác động lực càng thấp.

Khi trục đặt nghiêng thì nối giữa trục và hộp tay lái phải qua 1-2 khớp các đăng. Hộp tay lái: bản chất là hộp giảm tốc, gồm 1-2 bộ truyền. Cụm truyền động: gồm các đòn quay đứng (chịu uốn), đòn kéo (cần khả năng ổn định dọc trục). Tất cả các đòn kéo đều phải làm dạng thanh.

Trụ đứng – cam quay: • Cố định ở dầm cầu (cam quay tự do)  xe tải lớn; • Cố định ở cam quay; • Tự do (dầm và cam quay không cố định)  mòn đều  xe du lịch, tải nhỏ. Thiết kế kỹ thuật HTL * Giải pháp thiết kế kỹ thuật: Thiết kế phải thỏa mãn yêu cầu đặc trưng của hệ thống: lái chính xác  các khâu, khớp không có độ rơ (không tưởng!)  Chấp nhận có độ rơ cho phép. Hai giải pháp khử độ rơ: khử định kỳ và khử liên tục. • Khử định kỳ: chủ yếu trong hộp tay lái.

Với cơ cấu trục vít – bánh vít, trục vít – thanh răng: mau mòn răng. Giải pháp: + Làm trục vít lệch tâm, khi mòn điều chỉnh cung răng theo chiều trục; + Ăn khớp bên; + Làm trụ vít côn xoắn. • Khử liên tục: các khâu là chuyển động song phẳng nên các khớp đều là khớp cầu  làm cơ cấu lò xo điều chỉnh được lực ép. Thiết kế kỹ thuật HTL 1) Xác định lực tác dụng lên vành tay lái 32 5.

Thiết kế kỹ thuật HTL Xác định lực tác dụng lên vành tay lái 33 5. Thiết kế kỹ thuật HTL Xác định lực tác dụng lên vành tay lái 34 5. Thiết kế kỹ thuật HTL 2) Tính trục lái 35 5. Thiết kế kỹ thuật HTL 3) Tính đòn quay đứng 36 5.

Thiết kế kỹ thuật HTL 4) Tính đòn dẫn động 37 5. Thiết kế kỹ thuật HTL 4) Tính đòn dẫn động 38 5. Thiết kế kỹ thuật HTL 5) Tính toán động học hình thang lái: Xác định kích thước hình học của hình thang lái  Quan hệ lý thuyết quay vòng của các bánh xe dẫn hướng Bo cotg   cotg  L 39 5. Thiết kế kỹ thuật HTL Chọn các kích thước của hình thang lái: Xác định kích thước của hình thang lái gồm có xác định góc  chiều dài m và n của các đòn bên và đòn ngang.

Trợ lực lái HÖ thèng cêng ho¸ l¸i cã nhiÖm vô: + Lµm gi¶m lùc ®iÒu khiÓn trªn vµnh tay l¸i. + T¨ng tÝnh an toµn cña hÖ thèng ®iÒu khiÓn l¸i. Yªu cÇu - Lùc ®iÒu khiÓn trªn vµnh tay l¸i ®ñ nhá ®Ó gi¶m cêng ®é lao ®éng nhng còng ®ñ g©y c¶m gi¸c ®iÒu khiÓn cho ngêi l¸i; - Khi hÖ thèng cêng ho¸ háng th× hÖ thèng l¸i vÉn ®iÒu khiÓn ®îc nh hÖ thèng l¸i c¬ khÝ th«ng thêng; - KÕt cÊu ®¬n gi¶n, dÔ ch¨m sãc b¶o dìng. Trợ lực lái Hệ thống trợ lực thủy lực 42 6.

Trợ lực lái Hệ thống trợ lực điện 43 6.1 Trợ lực lái thủy lực Có 3 loại chính: • Van phân phối và xy lanh lực kết hợp trong cơ cấu lái; • Van phân phối và xy lanh lực kết hợp trong đòn kéo; • Van phân phối và xy lanh lực bố trí riêng biệt.1 Trợ lực lái thủy lực Van phân phối và xy lanh lực kết hợp trong cơ cấu lái 45 6.1 Trợ lực lái thủy lực Van phân phối và xy lanh lực kết hợp trong đòn kéo 46 6.1 Trợ lực lái thủy lực Van phân phối và xy lanh lực bố trí riêng biệt 47 6.