Đề tài Thiết kế hệ thống lái cho xe du lịch có trợ lực

bộ giáo dục và đào tạo cộng hoà xã hội chủ nghĩa việt nam trường đại học bách khoa Độc lập -Tự do - Hạnh phúc hà nội nhiệm Vụ thiết kế tốt nghiệp Họ và tên : NGuyễn Đức Thành Lớp : ôtô Khoá : 46 Ngành : Cơ Khí - Ôtô 1. Đề tài thiết kế: Thiết kế hệ thống lái cho xe du lịch có trợ lực. 2. Các số liệu ban đầu: Tham khảo xe TOYOTA COROLLA 3. Nội dung công việc: 3.1 Thuyết minh tính toán: 3.1.1 Tổng quan về hệ thống lái 3.1.2 Thiết kế tính toán hệ thống lái 3.1.2.1 Tính toán thiết kế dẫn động lái 3.1.2.2 Tính toán thiết ké cơ cấu lái 3.1.2.3 Tính toán thiết kế trợ lực lái 3.1.3 Xây dựng qui trình gia công chi tiết điển hình 3.1.4 Xây dựng qui trình lắp ráp, điều chỉnh, bảo dưỡng và sửa chữa hệ thống lái 3.2 Các bản vẽ: 3.2.1 Bản vẽ bố trí chung 3.2.2 Bản vẽ đồ thị động học 3.2.3 Bản vẽ các phương án cơ cấu lái 3.2.4 Bản vẽ các phương án bố trí trợ lực 3.2.5 Bản vẽ chi tiết. 3.2.6 Bản vẽ lắp trợ lực lái 3.2.7 Bản vẽ sơ đồ nguyên lý làm việc của trợ lực lái 3.2.8 Bản vẽ qui trình công ghệ chế tạo chi tiết 4. Cán bộ hướng dẫn : ThS . Đỗ Tiến Minh 5. Ngày giao nhiệm vụ thiết kế: Ngày 20 tháng 02 năm 2006 6. Ngày hoàn thành nhiệm vụ : Ngày 20 tháng 05 năm 2006 Ngày 20 tháng 02 năm 2006 Chủ nhiệm bộ môn Cán bộ hướng dẫn thiết kế Lời nói đầu === === Trên nền tảng của đất nước đang trên đà phát triển lớn mạnh về kinh tế đó là sự thay da đổi thịt của quá trình công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nước và sự hội nhập của các nghành công nghiệp, kỹ thuật Ôtô ở nước ta ngày càng được chú trọng và phát triển. Thể hiện bởi các liên doanh lắp ráp Ôtô giữa nước ta với nước ngoài ngày càng phát triển rộng lớn trên hầu hết các tỉnh của cả nước như: FORD, TOYOTA, NISAN, DAEWOO, KIA, ... Một vấn đề lớn đặt ra đó là sự hội nhập, tiếp thu những công nghệ kỹ thuật tiên tiến của các nước có nền công nghiệp phát triển vào việc lắp ráp sản xuất cũng như sử dụng bảo dưỡng trên xe Ôtô. Một trong những hệ thống đặc biệt quan trọng của Ôtô là hệ thống lái. Hệ thống này có chức năng điều khiển hướng chuyển động của Ôtô, nó đảm bảo tính năng ổn định chuỷên động thẳng cũng như quay vòng của bánh xe dẫn hướng. Trong quá trình chuyển động hệ thống lái có ảnh hưởng rất lớn đến an toàn chuyển động và quỹ đạo chuyển động của Ôtô, đặc biệt đối với xe có tốc độ cao. Do đó người ta không ngừng cải tiên hệ thống lái để nâng cao tính năng của nó. Đáp ứng nhu cầu đó và sự hiểu biết về các ứng dụng khoa học kỹ thuật hiện đại. Em đã được giao nhiệm vụ “ thiết kế hệ thống lái xe DU LịCH có trợ lực ”. Với hệ thống lái có trợ lực cải tiến quá trình điều khiển làm tăng tính năng an toàn chuyển động và giúp cho người lái giảm mệt mỏi. Tuy nhiên, với một đề tài khá rộng đề cập đến nhiều vấn đề đòi hỏi phải có thời gian dài nghiên cứu và thực nghiệm. Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng với khả năng và thời gian hạn chế nên bản đồ án của em không tránh khỏi sai sót cũng như còn nhiều vấn đè không được đề cập tới. Em mong các thầy và các bạn đồng nghiệp góp ý để bản đồ án được hoàn thiện hơn. Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo hướng dẫn : Đỗ Tiến Minh tận tình chỉ bảo để em có thể hoàn thành được bản đồ án này. Em xin chân thành cảm ơn các Thầy trong bộ môn Ôtô - Khoa cơ khí trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội cùng các bạn đã giúp đỡ em trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành đồ án. Sinh viên. Nguyễn Đức Thành Mục lục Nhiệm vụ :.............................................................................................1 Lời nói đầu:...........................................................................................3 Chương I: giới thiệu tổng quan hệ thống lái:.........................................7 1.1công dụng và cấu tạo:............................................................ .......7 1.2Phân loại:.............................................................................. ......10 1.3Yêu cầu:................................................................................. .....10 Chương II: Tính toán thiết kế hệ thống lái..........................................22 2.1 Các số liệu tham khảo và lựa chọn các thông số:.........................22 2.2. Phân tích lựa chọn phương án thiết kế:........................................22 2.1.1.Các thông số của xe du lịch TOYOTA COROLLA:............. 22 2.2.1. Phương án dẫn động lái:........................................................22 2.2.1.1. Dẫn động lái bốn khâu, (Hình thang lái Đantô):..........22 2.2.1.2. Dẫn động lái sáu khâu:..................................................23 2.2.2 Phương án thiết kế cơ cấu lái:.................................................24 2.2.2.1. Kiểu trục răng – thanh răng:...........................................25 2.2.2.2. Cơ cấu lái trục vít con lăn:..............................................26 2.2.2.3. Cơ cấu lái trục vít chốt quay:..........................................27 2.2.2.4. Cơ cấu lái trục vít cung răng:......................................... 28 2.2.2.5. Cơ cấu lái loại liên hợp:..................................................30 2.3 Tính toán động học hệ thống lái:..................................................31 2.3.1. Tính động học hình thang lái:................................................ 31 a. Trường hợp xe đi thẳng:..............................................................32 b.Trường hợp khi xe quay vòng.......................................................33 2.3.2. Xây dựng đường cong đặc tính hình thang lái lý thuyết:........34 2.3.3. Xây dựng đường cong đặc tính hình thang lái thực tế:...........35 2.4. Tính toán động lực học hệ thống lái: ..........................................37 2.4.1 Xác định mômen cản quay vòng:............................................37 2.4.1.1. Mômen cản M1...................................................................37 2.4.1.2. Mômen cản M2 do sự trượt lê của bánh xe trên mặt đường:38 2.4.1.3. Mômen ổn định ở các bánh xe:............................................39 2.4.1.4. Hiệu suất dẫn động của trụ đứng và hình thang lái:........... .39 2.4.2. Xác định lực cực đại tác dụng lên vành tay lái......................... 40 2.4.3. xác định các thông số hình học của dẫn động lái và cơ cấu lái:.........................................................................................................40 2.4.3.1. Chiều dài thanh răng:......................................................... 40 2.4.3.2. Các thông số của bộ truyền cơ cấu lái:............................... 41 2.4.4. Tính bền:...................................................................................44 2.4.4.1. Tính bền cơ cấu lái bánh răng – thanh răng:.......................44 2.4.4.2. Tính bền trục lái:.................................................................47 2.4.4.3. Tính bền đòn kéo ngang:.....................................................48 2.4.4.4. Tính bền đòn kéo dọc: .........................................................50 2.4.4.5.Tính bền thanh nối bên:....................................................... .51 2.4.4.6. Tính bền khớp cầu (Rô - tuyn):............................................51 2.5. Tính toán thiết kế trợ lực lái:.........................................................53 2.5.1. Sự cần thiết của việc trang bị trợ lực cho hệ thống lái:...............53 2.5.2. Nguyên lý trợ lực:.......................................................................54 2.5.2.1 Các phần tử cơ bản của trợ lưc:..............................................54 2.5.2.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống lái khi có trợ lực:............57 2.5.3. Phân tích lựa chọn phương án thiết kế:......................................59 2.5.3.1. Phân tích lựa chọn phương án bố trí trợ lực lái:....................59 2.5.3.2. Phân tích lựa chọn phương án trợ lực:................................. 62 2.5.4.tính toán cường hóa lái:...............................................................67 2.5.4.1. Chọn những thông số làm việc của hệ thống lái:..................67 2.5.4.2. Xây dựng đặc tính cường hoá lái:.........................................68 2.5.4.3. Tính toán xilanh lực:............................................................ 71 2.5.4.4. Xác định năng suất của bơm:................................................72 2.5.4.5. Tính toán các chi tiết của van phân phối:.............................74 Chương 3:quy trình công nghệ gia công chi tiết rotuyl........................77 3.1. Phân tích chi tiết gia công:..........................................................77 3.1.1. Kết cấu rotuyl:.......................................................................77 3.1.2. Điều kiện làm việc của rotuyl:...............................................77 3.1.3. Phân tích kết cấu công nghệ trong kết cấu khớp cầu: ...........77 3.1.4. Chọn phôi:............................................................................78 3.2. Lập sơ đồ các nguyên công:.........................................................78 Chương IV: lắp ráp và bảo dưỡng sửa chữa hệ thống lái của xe du lịch:.......................................................................................................85 4.1. Lắp ráp các cụn chi tiết:.................................................................85 4.1.1. Lắp ráp các bộ phận của xy lanh lực:....................................85 4.1.2. Lắp van phân phối:................................................................85 4.2. Lắp ráp các cụm chi tiết:..............................................................86 4.3. Một số hư hỏng và sửa chữa:........................................................86 Kết luận:..............................................................................................89 Tài liệu tham khảo:..............................................................................90 Chương I: Giới thiệu tổng quan về hệ thống lái 1.1 Công dụng và cấu tạo: 1.1.1 Công dụng: Hệ thống lái là một hệ thống an toàn dùng để thay đổi hướng chuyển động của xe. Nó có thể giữ nguyên hướng chuyển động thẳng cũng như quay vòng xe khi cần thiết. 1.1.2 Cấu tạo chung: Sơ đồ tổng quát của hệ thống lái không có trợ lực . Gồm có vành tay lái, trục lái, và dẫn động lái: Hình1.1- Sơ đồ tổng quát hệ thống lái. Vành tay lái. 5- Thanh kéo dọc. Trục lái. 6- Đòn quay đứng. Cơ cấu lái. 7- Hình thang lái. Đòn quay đứng. Vành tay lái: Vành tay lái có nhiệm vụ tạo ra mô men quay cần thiết khi người lái tác dụng một lực vào vành tay lái. Vành tay lái có dạng vành tròn, có nan hoa bố trí đều hay không đều quanh vành trong của vành lái . Mô men tạo ra trên vành tay lái là tích số của lực lái do người lái tác dụng vào và bán kính của vành tay lái . Vành lái(vô lăng) của bất kỳ hệ thống ô tô nào cũng có độ dơ nhất định. Khi xe dừng, các bánh dẫn hướng ở vị trí thẳng, lắc nhẹ vô lăng về phía trước hoặc phía sau với lực lái nhẹ bằng ngón tay thì độ dơ cực đại của vô lăng đối với vô lăng không được vượt quá 30 mm. Bản thân vành lái có thể được làm bằng chất dẻo, cao su nhân tạo hoặc bằng gỗ, và nó có thể được bọc bằng da thật hoặc da nhân tạo. Trục lái: 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 của vô lăng xuống cơ cấu lái và ống trục lái để cố định trục lái chính vào thân xe. Đầu phía trên của trục lái chính được gia công ren và then hoa để lắp vô lăng lên đó và được giữ chặt bằng một đai ốc. Cơ cấu lái: Cơ cấu lái có tác dụng biến chuyển động quay truyền đến từ vành lái thành chuyển động lắc. Các loại cơ cấu lái thường gặp nhất là: Cơ cấu lái trục vít ê cu bi, Cơ cấu lái trục răng thanh răng, Cơ cấu lái kiểu bi tuần hoàn... Đòn quay đứng: Đòn quay đứng có tác dụng truyền momen từ trục đồn quay của cơ cấu lái tới các đòn kéo dọc hoặc kéo ngang được nối với cam quay của ánh xe dẫn hướng. Đòn kéo: Đòn kéo được dùng để truyền lực từ đòn quay của cơ cấu lái đến cam quay của bánh xe đẫn hướng. Tuỳ theo phương đặt đòn mà người ta có thể gọi là đòn kéo dọc hoặc đòn kéo ngang. Hình thang lái: Hình thang lái thực chất là một hình tứ giác gồm 4 khâu: dầm cầu, thanh lái ngang va hai thanh bên. Hình thang lái sẽ đảm bảo động học quay vòng của các bánh xe đẫn hướng nhờ vào các kích thước của các thanh lái ngang, cánh bản lề và các góc đặt phải xác định. 1.2. Phân loại: Theo bố trí bánh lái chia ra hệ thống lái với bánh lái bố trí bên phải hoặc bên trái (tính theo chiều chuyển động của xe). Bánh lái bố trí bên trái dùng cho những nước thừa nhận luật đi đường theo phía phải như ở các nước xã hội chủ nghĩa. Bánh lái bố trí bên phải dùng cho những nước thừa nhận luật đi đường theo phía bên trái như ở Anh, Nhật, Thụy Điển… Theo số lượng bánh dẫn hướng chia ra hệ thống lái với các bánh dẫn hướng ở cầu trước, ở hai cầu và ở tất cả các cầu. Theo kết cấu của cơ cấu lái chia ra loại trục vít loại liên hợp (gồm trục vít, êcu, thanh khía, quạt răng). Loại thanh răng … Theo kết cấu và nguyên lý làm việc của bộ cường hóa chia ra loại cường hóa thuỷ lực, loại cường hoá khí nén, loại cường hoá liên hợp (kết hợp cả thuỷ lực và điện). 1.3. Yêu cầu: An toàn chuyển động trong giao thông vận tải bằng ôtô là chỉ tiêu hàng đầu trong việc đánh giá chất lượng thiết kế và sử dụng phương tiện này. Một trong các hệ thống quyết định đến tính an toàn và ổn định chuyển động của ôtô là hệ thống lái. Để giảm nhẹ lao động cho người lái cũng như tăng thêm độ an toàn cho ôtô , ngày nay trên ôtô thường sử dụng cường hoá lái. Để đảm bảo tính êm dịu chuyển động trên mọi loại đường từ giải tốc độ thấp tới giải tốc độ cao, hệ thống lái cần đảm bảo các yêu cầu sau : Đảm bảo được động học quay vòng: các bánh xe lăn không trượt Hệ thống lái phải đảm bảo dễ dàng điều khiển, nhanh chóng và an toàn. Các cơ cấu điều khiển bánh xe dẫn hướng và quan hệ hình học của hệ thống lái phải đảm bảo không gây lên các dao động và va đập trong hệ thống lái. Trục lái kết hợp với cơ cấu hấp thụ va đập, cơ cấu này hấp thụ lực dọc trục tác dụng lên người lái khi có tai nạn. Trục lái được gắn lên thân xe qua một giá đỡ dễ vỡ để trục lái đễ dàng tụt xuống khi có va đập Đảm bảo ổn định bánh xe dẫn hướng: các bánh xe dẫn hướng sau khi thực hiện quay vòng cần có khả năng tự động quay về trạng thái chuyển động thẳng hoặc là để quay bánh xe về trạng thái chuyển động thẳng chỉ cần đặt lực trên vành lái nhỏ hơn khi xe đi đường vòng. Đảm bảo khả năng quay vòng hẹp dễ dàng: Khi xe quay vòng trên đường hẹp ,đường gấp khúc, hệ thống lái có thể quay ngặt các bánh xe trước một cách dễ dàng. Quay vòng ngặt là trạng thái quay vòng với thời gian quay vòng ngắn và bán kính quay vòng nhỏ. Đảm bảo lực lái thích hợp: Lực người lái đặt lên vành lái khi quay vòng phải nhỏ, lực lái cần thiết sẽ lớn khi xe đứng yên và sẽ giảm khi tốc độ xe tăng. Vì vậy cần phải đảm bảo lực lái nhỏ nhưng vẫn gây được cảm giác về trạng thái mặt đường. Hệ thống lái không được có độ dơ lớn: Với xe có vận tốc lớn nhất trên 100Km/h, thì độ dơ vành lái không vượt quá 180, với xe có vận tốc lớn nhất từ 25 km/h đến 100km/h thì độ dơ vành lái không vượt quá 270. Đảm bảo khả năng an toàn bị động của xe, không gây tổn thương cho người lái khi xảy ra tai nạn. Đảm bảo hiệu suất thuận phải lớn hơn hiệu suất nghịch để giảm tác động từ mặt đường qua kết cấu lái lên vô lăng. 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 ôtô. Độ tin cậy cao. Dễ lắp ráp, điều chỉnh, bảo dưỡng và sửa chữa. 1.3.1. Các góc đặt bánh xe: Việc bố trí các bánh xe dẫn hướng liên quan trực tiếp tới tính điều khiển xe, tính ổn định chuyển động của ôtô. Các yêu cầu chính của việc bố trí là điều khiển chuyển động nhẹ nhàng, chính xác đảm bảo ổn định khi đi thẳng cũng như khi quay vòng, kể cả khi có sự cố ở các hệ thống khác. Đối với xe con yêu cầu này ngày càng được quan tâm và được nâng cao hơn vì vận tốc của xe không ngừng được nâng lên.Trên cầu dẫn hướng các bánh xe dẫn hướng được bố trí và quan tâm thích đáng. ở các bánh xe không dẫn hướng thì việc bố trí cũng đã được chú ý, song bị hạn chế bởi giá thành chế tạo và sự phức tạp của kết cấu nên việc bố trí vẫn được tuân thủ theo các điều kiện truyền thống. ô tô có thể chuyển động mọi hướng bằng sự tác động của người lái quanh vô lăng. Tuy nhiên, nếu ôtô ở trạng thái đi thẳng mà người lái vẫn phải tác động liên tục lên vô lăng để giữ xe ở trạng thái chạy thẳng, hay người lái phải tác dụng một lực lớn để quay vòng xe thì sẽ gây sự mệt mỏi và căng thẳng về cả cơ bắp lẫn tinh thần khi điều khiển xe. Đó là điều không mong muốn, vì vậy để khắc phục được các vấn đề nêu trên thì các bánh xe được lắp vào thân xe với các góc nhất định tuỳ theo yêu cầu nhất định đối với từng loại xe và tính năng sử dụng của từng loại. Những góc này được gọi chung là góc đặt bánh xe. Việc điều khiển xe sẽ trở lên dễ dàng hơn nếu các bánh xe được đặt theo một góc một cách chính xác theo yêu cầu thiết kế . Các góc đặt bánh xe đúng sẽ ngăn cản việc mài mòn lốp. nếu như các góc đặt bánh xe không đúng thì có thể dẫn đến các hiện tượng sau: Khó lái. Tính ổn định lái kém . Trả lái trên đường vòng kém . Tuổi thọ lốp giảm ( mòn nhanh). Góc đặt bánh xe gồm các góc sau : Góc Camber( góc nghiêng ngang của bánh xe ). Góc Caster và khoảng Caster(Góc nghiêng dọc của trụ đứng và chế độ lệch dọc).. Góc Kingpin (Góc nghiêng ngang trụ đứng). Độ chụm và độ mở (góc doãng). 1.3.1.1. Góc Camber ( góc nghiêng ngang của bánh xe ): Góc tạo bởi đường tâm của bánh xe dẫn hướng ở vị trí thẳng đứng với đường tâm của bánh xe ở vị trí nghiêng được gọi là gócCAMBER, và đo bằng độ .Khi bánh xe dẫn hướng nghiêng ra ngoài thì gọi là góc “CAMBER dương”, và ngược lại gọi là góc”CAMBER âm”. Bánh xe không nghiêng thì CAMBER bằng không(bánh xe thẳng đứng ). 900 CAMBER (-) (+) Hình 1.2- Góc CAMBER. Chức năng của góc CAMBER: Những năm về trước bánh xe được đặt với góc CAMBER dương để cải thiện độ bền của cầu trước và để các lốp tiếp xúc vuông góc với mặt đường (do trọng lượng của xe )nhằm ngăn ngừa sự mòn không đều của lốp trên đường, do có phần giữa cao hơn hai bên. Góc camber còn đảm bảo sự lăn thẳng của các bánh xe, giảm va đập của mép lốp với mặt đường. Khi góc CAMBER bằng không hoặc gần bằng không có ưu điểm là khi đi trên đường vòng bánh xe nằm trong vùng có khả năng truyền lực dọc và lực bên tốt nhất. Góc CAMBER ngăn ngừa khả năng bánh xe bị nghiêng theo chiều ngược lại dưới tác động của trọng lượng xe do các khe hở và sự biến dạng trong các chi tiết của trục trước và hệ thống treo trước. Đồng thời giảm cánh tay đòn của phản lực tiếp tuyến với trục trụ đứng, để làm giảm mômen tác dụng lên dẫn động lái và giảm lực lên vành tay lái. Khi chuyển động trên đường vòng, do tác dụng của lực ly tâm thân xe nghiêng theo hướng quay vòng, các bánh xe ngoài nghiêng vào trong, các bánh xe trong nghiêng ra ngoài so với thân xe. Để các bánh xe lăn gần vuông góc với mặt đường để tiếp nhận lực bên tốt hơn, trên xe có tốc độ cao, hệ treo độc lập thì góc CAMBER thường âm. 1.3.1.2. Góc Caster và khoảng Caster (Góc nghiêng dọc của trụ đứng và chế độ lệch dọc ): Góc nghiêng dọc của trụ đứng là sự nghiêng về phía trước hoặc phía sau của trụ đứng .Nó được đo bằng độ, và được xác định bằng góc giữa trụ xoay đứng và phương thẳng đứng khi nhìn từ cạnh xe. Nếu trụ xoay đứng nghiêng về phía sau thì gọi là góc nghiêng dương và ngược lại gọi là góc nghiêng âm. Khoảng cách từ giao điểm của đường tâm trục đứng với mặt đất đến đường tâm vùng tiếp xúc giữa lốp và mặt đường được gọi là khoảng Caster c. Góc Caster và khoảng Caster được thể hiện ở hình sau : c Góc Caster (-) (+) V Hình 1.3 – Caster và khoảng Caster . Tác dụng của góc Caster : Hồi vị bánh xe do khoảng Caster: Dưới tác dụng của lực ly tâm khi bánh xe vào đường vòng hoặc lực do gió bên hoặc thành phần của trọng lượng xe khi xe đi vào đường nghi