CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LÁI TRÊN Ô TÔ 1. Công dụng, phân loại, yêu cầu 1. Công dụng Hệ thống lái dùng để giữ đúng hướng chuyển động hoặc thay đổi hướng chuyển động của ô tô khi cần thiết.Có thể thay đổi hướng chuyển động bằng cách: + Thay đổi phương chuyển động của bánh xe dẫn hướng. + Thay đổi mô men xoắn ở bánh sau chủ động.
+ Kết hợp đồng thời cả hai phương pháp trên [1].1: Hệ thống lái Hệ thống lái có nhiều loại, thông thường bao gồm các bộ phận chính như: - Vành lái: là cơ cấu điều khiển nằm trên buồng lái, chịu tác động trực tiếp của người điều khiển. - Cơ cấu lái: là một hộp giảm tốc được bố trí trên khung hoặc vỏ của ôtô đảm nhận phần lớn tỉ số truyền của hệ thống lái - Dẫn động lái: bao gồm đòn quay đứng, đòn kéo dọc, hình thang lái, đòn quay ngang, có nhiệm vụ liên kết cơ cấu lái với bánh xe và dẫn động cho bánh xe dẫn hướng 1 - Trợ lực lái: Trợ lực lái có thể có hoặc không. Dùng để giảm nhẹ lực quay vòng của người lái bằng nguồn năng lượng từ bên ngoài. Nó thường được sử dụng trong các xe có tải trọng vừa và lớn [1].
Phân loại Tuỳ thuộc yếu tố căn cứ để phân loại, hệ thống lái được chia thành các loại sau: 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]. 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. 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. Theo kết cấu và nguyên lý làm việc của bộ cường hoá - Hệ thống lái có trợ lực thuỷ lực.
- Hệ thống lái có trợ lực khí nén. - Hệ thống lái có trợ lực liên hợp [1]. Yêu cầu Hệ thống lái phải đảm bảo những yêu cầu chính sau: - Đảm bảo chuyển động thẳng ổn định: + Hành trình tự do của vô lăng tức là khe hở trong hệ thống lái khi vô lăng ở vị trí trung gian tương ứng với chuyển động thẳng phải nhỏ (không lớn hơn 15 0 khi có trợ lực và không lớn hơn 50 khi không có trợ lực). + Các bánh dẫn hướng phải có tính ổn định tốt.
+ Không có hiện tượng tự dao động các bánh dẫn hướng trong mọi điều kiện làm việc và mọi chế độ chuyển động. - Đảm bảo tính cơ động cao: tức xe có thể quay vòng thật ngoặt, trong một khoảng thời gian ngắn, trên một diện tích bé. - Đảm bảo động học quay vòng đúng: để các bánh xe không bị trượt lê gây mòn lốp, tiêu hao công suất vô ích và giảm tính ổn định của xe. - Giảm được các va đập từ đường lên vô lăng khi chạy trên đường xấu hoặc gặp chướng ngại vật.
- Điều khiển nhẹ nhàng, thuận tiện: Lực điều khiển lớn nhất cần tác dụng lên vô lăng (Plmax) được qui định theo tiêu chuẩn quốc gia hay tiêu chuẩn ngành: + Đối với xe du lịch và tải trọng nhỏ: P lvmax không được lớn hơn 150 ¸ 200 N; + Đối với xe tải và khách không được lớn hơn 500 N. - Đảm bảo sự tỷ lệ giữa lực tác dụng lên vô lăng và mô men quay các bánh xe dẫn hướng (để đảm bảo cảm giác đường) cũng như sự tương ứng động học giữa góc quay của vô lăng và của bánh xe dẫn hướng [1].Tính dẫn hướng của ô tô - Tính dẫn hướng của ô tô là khả năng giữ được hướng chuyển động của ô tô theo góc quay vành lái khi chịu tác dụng của các lực và mômen ngoại cảnh. Khi thực hiện quay vòng thì yêu cầu đặt ra đối với hệ thống lái là phải đảm bảo động lực chuyển động và quay vòng xe, người lái quay vành tay lái thông qua dẫn động lái và cơ cấu lái làm bánh xe dẫn hướng quay đi một góc. - Quỹ đạo chuyển động của ô tô liên quan đến tính dẫn hướng của xe.
Sự chuyển động của ôtô trên đường phụ thuộc vào rất nhiều mối quan hệ của bánh 3 xe với nền đường. Khi chuyển động trên các đường xá khác nhau cùng với việc sử dụng lốp đàn hồi đã ảnh hưởng không nhỏ tới khả năng điều khiển cũng như độ ổn định của ô tô. Khi đó, tại bánh xe luôn xuất hiện góc lăn lệch (biến dạng bên) do chịu đồng thời lực kéo và lực bên.2 thể hiện biến dạng của lốp khi chịu tác động của lực ngang, biến dạng bên này làm sai lệch quỹ đạo chuyển động. Để khắc phục hiện tượng này thì trong hệ thống lái cần phải bố trí cơ cấu để bù được sự biến dạng của lốp [1].2: Biến dạng của lốp.
- Đối với hệ thống lái trên ôtô một trong những đặc điểm khác so với hệ thống lái lắp trên các phương tiện khác là sau khi thực hiện quay vòng, người lái không cần tác động lực lên vành lái mà các bánh xe dẫn hướng có khả năng tự động quay về trạng thái chuyển động thẳng. Điều này được thực hiện nhờ mômen trả lái về Msat, mômen này xuất hiện đầu tiên là do các quan hệ hình học trong hệ thống lái, đặc biệt là góc Caster được thể hiện trên hình 1.3, sau đó là do khi quay vòng xuất hiện lực ngang, lực ngang này làm biến dạng lốp cao su, sự biến dạng đàn hồi này làm cho xuất hiện mômen để lốp trở về trạng thái ổn định [1].3: Góc Caster và khoảng Caster - Để tăng tính an toàn chuyển động, người ta tăng diện tích tiếp xúc của lốp với mặt đường, đồng thời giảm áp suất lốp. Nhưng như vậy cũng đồng nghĩa với việc cần phải đánh lái với một lực lớn hơn. Để giảm nhẹ cường độ lao động cho người lái và tăng tính an toàn cho hệ thống điều khiển lái hầu hết các xe ô tô đều được trang bị trợ lực lái [1].Các hệ thống có trợ lực lái - Để giảm nhẹ cường độ lao động cho người lái và tăng tính an toàn cho hệ thống điều khiển lái hầu hết các xe ô tô đều được trang bị trợ lực lái.
Người điều Hệ thống lái Bánh xe khiển Trợ lực lái Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống lái có trợ lực - Yêu cầu đặt ra đối với trợ lực là: 5 + Khi bộ trợ lực hỏng thì hệ thống lái vẫn phải làm việc được. + Trợ lực lái phải giữ cho người lái có cảm giác sức cản của mặt đường khi quay vòng. Điều này đồng nghĩa với khả năng trợ lực cần tăng cao khi mô men cản quay vòng lớn và ngược lại khả năng trợ lực cần giảm khi xe chuyển động với tốc độ cao. - Hệ thống lái trợ lực trên xe hiện đại có các kiểu sau: trợ lực khí nén, trợ lực thủy lực, trợ lực điện [1].
Hệ thống lái trợ lực thuỷ lực - Hệ thống lái trợ lực thủy lực là bộ trợ lực sử dụng một phần công suất động cơ để tạo ra áp suất dầu thủy lực hỗ trợ cho quá trình xoay các bánh xe dẫn hướng để chuyển hướng chuyển động của ô tô. Khi xoay vô lăng, sẽ chuyển mạch một đường dầu tại van điều khiển.5: Sơ đồ cấu tạo hệ thống lái trợ lực thủy lực - Hệ thống gồm 3 phần chính: bơm dầu trợ lực (bơm cánh gạt), van điều khiển, xy lanh lực. Ưu nhược điểm của hệ thống: - Thông qua đặc điểm làm việc của hệ thống lái trợ lực thuỷ lực ta thấy hệ thống có các ưu điểm, nhược điểm là như sau: 6 + Ưu điểm: Với hệ thống lái trợ lực thuỷ lực đã giúp người lái điều khiển nhẹ nhàng hơn so với hệ thống lái không có trợ lực vì có thêm trợ lực tác động của piston-xy lanh lực lên thanh răng do áp suất dầu của bơm trợ lực gây ra. Trong trường hợp xe bị nổ lốp hoặc xì hơi thì hệ thống đảm bảo được an toàn về hướng trong quá trình chuyển động + Nhược điểm: Trong hệ thống lái trợ lực thuỷ lực, nguồn năng lượng trợ lực được tạo thành do sự làm việc bơm dầu mà bơm dầu lại được dẫn động từ trục khuỷu của động cơ, sử dụng một phần công suất của động cơ.
Trong quá trình chuyển động, ngay cả khi xe chuyển động thẳng thì bơm dầu vẫn làm việc, điều này gây lãng phí công suất động cơ trong khi hệ thống lái không cần nguồn trợ lực. Để đảm bảo được áp suất dầu trợ lực thì hệ thống cần yêu cầu về độ kín khít cao ở trên đường ống, van do đó thường xuyên phải kiểm tra sự rò rỉ dầu trong hệ thống lái. Hệ thống làm việc ồn do tiếng kêu của bơm dầu và dầu chảy qua các đường ống, van. Ngoài ra, dầu trợ lực lái khi thải ra còn là nguồn chất thải gây ô nhiểm môi trường [1].
Hệ thống trợ lực thủy lực mới chỉ đáp ứng được công dụng trợ lực cho người lái điều khiển nhẹ nhàng nên hệ thống còn có những hạn chế sau đây: + Hệ thống làm việc theo 2 thông số là momen và góc quay trục lái do người điều khiển tác dụng nên chỉ đáp ứng được mặt trợ lực mà chưa đáp ứng được tỉ số truyền lực thay đổi theo tốc độ của xe. + Hệ thống lái trợ lực thuỷ lực là áp suất và lưu lượng của bơm phụ thuộc vào tốc độ động cơ. Trong trường hợp xe chuyển động ở tốc độ thấp, quay vòng ngoặt, lúc này cần trợ lực lớn, tuy nhiên do tốc độ động cơ thấp, áp suất trong hệ thống thuỷ lực nhỏ ảnh hưởng đến chất lượng trợ lực. Khi xe ôtô chuyển động ở tốc độ cao, lưu lượng và áp suất của bơm trợ lực lớn, trong khi điều khiển lái ở tình trạng này lại chỉ cần yêu cầu trợ lực nhỏ.