Thiết kế hệ thống lái hai cầu dẫn hớng
Lời nói đầu

Trong nền kinh tế quốc dân hiện nay, vai trò của giao thông ôtô rất quan
trọng trong việc vận chuyển ngời và hàng hoá. Một trong những nhiệm vụ
quan trọng nhất của ôtô là điều khiển hớng chuyển động, nhiệm vụ này đợc
đảm bảo bởi hệ thống lái của ôtô.
Đối với xe tải lớn, do tải trọng phân bố lên cầu trớc lớn nên với hệ thống lái
một cầu dẫn hớng, để đảm bảo an toàn, kích thớc các chi tiết phải đủ lớn, do
đó việc sửa chữa thay thế khó khăn.
Từ đó em đợc giao nhiệm vụ: Thiết kế hệ thống lái cho xe tải 27 tấn có hai
cầu dẫn hớng, với công thức bánh xe 8 x 4.
Trong quá trình làm đồ án, đợc sự hớng dẫn tận tình của thầy giáo Phạm
Hữu Nam và các thầy giáo trong bộ môn, em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp
của mình. Do trình độ bản thân và thời gian có hạn nên đồ án của em không
tránh khỏi khiếm khuyết. Em mong đợc sự chỉ bảo của các thầy.
Em xin chân thành cảm ơn
Sinh viên: Vũ Văn Hoà
chơng I
nhiệm vụ, yêu cầu Hệ thống láI trên xe tảI lớn
1. Nhiệm vụ hệ thống lái.
Hệ thống lái của ôtô dùng để thay đổi hớng chuyển động của ôtô nhờ
quay vòng các bánh xe dẫn hớng cũng nh để giữ phơng chuyển động thẳng
hay chuyển động cong của ôtô khi cần thiết .
Trong quá trình chuyển động trên đờng, hệ thống lái có ảnh hởng rất lớn
đến an toàn chuyển động của xe nhất là ở tốc độ cao, do đó chúng không
ngừng đợc hoàn thiện.
Đồ án tốt nghiệp 1 Vũ Văn Hoà - Lớp Ôtô k46
Thiết kế hệ thống lái hai cầu dẫn hớng
Việc điều khiển hớng chuyển động của xe đợc thực hiện nhờ vô lăng
(vành lái ), trục lái (truyền chuyển động quay từ vô lăng tới cơ cấu lái), cơ cấu

An toàn chuyển động trong giao thông vận tải bằng ôtô là chỉ tiêu
hàng đầu trong việc đánh giá chất lợng thiết kế và sử dụng phơng tiện này.
Đồ án tốt nghiệp 2 Vũ Văn Hoà - Lớp Ôtô k46
Thiết kế hệ thống lái hai cầu dẫn hớng
Một trong các hệ thống quyết định đến tính an toàn và ổn định chuyển
động của ôtô 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 hớng
+ Đảm bảo khả năng quay vòng hẹp dễ dàng
+ Đảm bảo lực lái thích hợp
+ Hệ thống lái không đợc có độ dơ lớn
+ 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 hớng.
+ Không đòi hỏi ngời lái xe một cờng độ lao động quá lớn khi điều khiển
ôtô.
4. Sơ đồ tổng quát hệ thống lái ôtô.
Sơ đồ tổng quát của hệ thống lái không có trợ lực gồm có vành tay lái, trục
lái, cơ cấu lái và dẫn động lái.
Hình 1.2-Sơ đồ tổng quát hệ thống lái.
1.vành tay lái 5.Thanh kéo dọc
2.Trục lái. 6.Đòn quay ngang
3.Cơ cấu lái. 7.Hình thang lái
4.Đòn quay đứng
Đồ án tốt nghiệp 3 Vũ Văn Hoà - Lớp Ôtô k46
1
6
2
3
7

góc thì các bánh xe dẫn hớng sẽ quay đi một góc nhất định. Hình thang
lái có thể bố trí trớc hoặc sau cầu dẫn hớng tùy theo bố trí chung.
5 . Số liệu tham khảo .
Xe tải hạng nặng HUYNDAI đời 1994
Chiều dài toàn bộ :12270 mm
Đồ án tốt nghiệp 4 Vũ Văn Hoà - Lớp Ôtô k46
Thiết kế hệ thống lái hai cầu dẫn hớng
Chiều cao toàn bộ :2780 mm
Khoảng cách giữa hai trụ quay đứng : B
0
=1880 mm
Chiều dài cơ sở của cầu dần hớng thứ nhất là : L
1
=7060 mm
Chiều dài cơ sở của cầu dẫn hớng thứ hai là : L
2
=5360 mm.
Trọng lợng không tải : G
0
=93000 N
Trọng Lợng toàn tải : G
T
=273000 N
Ký hiệu lốp :10.00-20
Trọng lợng toàn tải phân bố ra hai cầu dẫn động lái (cầu I và cầu II) :
G
T1
=G
T2
=32500 N

Chọn sơ bộ I
d
=1 ( cho cầu dẫn hớng thứ nhất)
1.2. Tỷ số truyền của cơ cấu lái

I
.
Tỷ số truyền của cơ cấu lái loại trục vít-êcu-bi-răng rẻ quạt đợc tính theo
công thức sau :
t
R
i
0
2


=
Trong đó :
t-bớc vít của trục vít
R
0
- bán kính vòng chia của bánh răng rẻ quạt.
R
0
và t không đổi nên tỷ số truyền của loại cơ cấu lái trục vít vô tận-êcu
cung răng là không đổi.
Tỷ số truyền của cơ cấu lái loại này thờng lấy theo kinh nghiệm thiết kế
2522 ữ=

i

Thiết kế hệ thống lái hai cầu dẫn hớng
Trong đó i
d1
, i
d2
lần lợt là tỷ số truyền của dẫn động lái đến bánh xe dẫn
hớng cầu thứ nhất và cầu thứ hai.
Giá trị tỷ số truyền đối với cầu dẫn hớng thứ nhất chọn sơ bộ i
1
=1.24=24
1.4. Tỷ số truyền lực của hệ thống lái.
I
l
- là tỷ số của tổng lực cản khi ôtô máy kéo quay vòng(P
c
) và lực đặt trên
vành tay lái khi cần thiết để khắc phục đợc lực cản quay vòng(P
l
).
l
c
l
P
P
I =
Trong đó:
R
M
P
c

Muốn các bánh xe thực hiện quay vòng đúng thì quan hệ giữa chúng phải
thoả mãn công thức sau :
Cotg
1
-Cotg
1
=
1
0
L
B
Cotg
2
- Cotg
2
=
2
0
L
B

Trong đó :

1
,
2
: Là góc quay của bánh xe dẫn hớng ngoài của cầu dẫn hớng thứ
nhất và thứ hai

1,

B
0
Thiết kế hệ thống lái hai cầu dẫn hớng
Sơ đồ động học khi quay vòng.
Theo hình vẽ : Cotg
1
=
1
L
OD
Cotg
2
=
2
L
OD

Ta tìm đợc mối quan hệ của các góc quay bánh xe dẫn hớng với góc
1
nh sau :

1
1
0
1

Cotg
L
B
Cotg +=

góc
221
,,

tơng ứng theo bảng sau :
Bảng 1: Bảng thông số của đ ờng đặc tính lý thuyết của các góc quay
cầu thứ nhất và quan hệ góc quay giữa cầu thứ nhất và cầu thứ hai.
1

( )
0
0 5 10 15 20 25 30 35 40
1
( )
0
0 4,89 9,56 14,04 18,36 22,53 26,58 30,55 34,44
2

( )
0
0 3,80 7,62 11,50 15,47 19,50 23,67 28,00 32,50
Bảng 2: Cầu thứ hai:
2

(
0
)
0 5 10 15 20 25 30 35 40

20

giữa các thông số theo biểu thức sau:
m2
nB
sin

=

Khi xe quay vòng :
Đồ án tốt nghiệp 10 Vũ Văn Hoà - Lớp Ôtô k46
B
0
m
m
n

Thiết kế hệ thống lái hai cầu dẫn hớng
Hình vẽ 2.6 - Sơ đồ hình thang lái khi quay vòng.
Khi bánh xe dẫn hớng bên trái quay đi một góc

và bên phải quay
đi một góc

, lúc này đòn bên phải hợp với phơng thẳng ngang một góc

và bánh xe bên trái là
+
.
Từ sơ đồ dẫn động trên hình trên ta có mối quan hệ của các thông số
theo quan hệ sau :
[ ]

Chọn sơ bộ theo kinh nghiệm cho cả hai cầu độ dài đòn bên :
m
1
=m
2
=0,15.Bo=282 (mm)
Chọn sơ bộ góc

ban đầu theo công thức của Chuđakôp:
L
Bo
Cotg
.7,0.2
)90(
0
=

(1.8)
Từ đó ta tính đợc

Tính các thông số cho cầu dẫn hớng thứ nhất (cầu I).
Tính


Thay số:
19,0
7060.7,0.2
1880
)90(
1

1

và
1

.
Cho lần lợt

1
=9
0
,10
0
,11
0
,12
0
,13
0
,sẽ tìm đợc mối quan hệ thực tế giữa
1

và
1

theo công thức sau :
[ ]
2
111
22

Bảng 3.Bảng thông số của đờng đặc tính thực tế cho cầu thứ nhất.
11

=9
0
1

(
0
)
0 5 10 15 20 25 30 35 40

10
(
0
)
0 4,89 9,56 14,04 18,36 22,53 26,58 30,55 34,44

11
(
0
)
0 4,93 9,71 14,36 18,84 23,17 27,31 31,24 34,92

11
(
0
)
0 -0,04 -0,15 -0,32 -0,48 -0,64 -0,73 -0,69 -0,48
12

0 -0,02 -0,09 -0,17 -0,22 -0,23 -0,14 0,11 -0,18
14

=12
0

14
(
0
)
0 4,90 9,61 14,13 18,45 22,56 26,43 30,04 33,36

14
(
0
)
0 -0,01 -0,05 -0,09 -0,09 -0,03 0,15 0,51 1,08
15

=13
0

15
(
0
)
0 4,89 9,58 14,06 18,32 22,36 26,14 29,65 32,85

15
(

nhỏ nhất và nhỏ hơn 1
0
, ta chọn đợc

1
=13
0
, ứng với góc quay
vòng lớn nhất của bánh xe dẫn hớng cầu thứ nhất là
0
max1
35=

và
0
max1
65,29=

Vậy với cầu dẫn hớng thứ nhất ta có:
-

1
=13
0
-Độ dài đòn bên m
1
= 282 (mm)
-Độ dài thanh kéo ngang n
1
=

2
<

theo kinh nghiệm thiết kế).
Chọn

2
các giá trị xung quanh giá trị đã chọn (

2
=14
0
) và công thức
(4) để tìm quan hệ thực tế của
2

và
2

.
Cho lần lợt

2
=12
0
, 13
0
, 14
0
, 15


+++
++

+
+
+=
mBom
BomBom
mBo
m
arctg
(1.12)
Bảng 4.Bảng thông số của đờng đặc tính thực tế cho cầu thứ hai.
21

=12
0
2

(
0
)
0 5 10 15 20 25 30 35 40

20
(
0
)
0 4,85 9,43 13,76 17,89 21,84 25,65 29,34 32,96

=14
0

23
(
0
)
0 4,88 9,55 13,98 18,19 22,15 25,85 29,26 32,34

23
(
0
)
0 -0,03 -0,12 -0,22 -0,3 -0,31 -0,2 0,08 0,62
24

=15
0

24
(
0
)
0 4,88 9,03 13,91 18,06 21,95 25,56 28,87 31,83

24
(
0
)
0 -0,03 0,4 -0,15 -0,17 -0,11 0,09 0,47 1,13

và
2

theo lý thuyết.
Theo bảng giá trị trên ta chọn góc

2
sao cho sự sai lệch so với đờng lý
thuyết
2


nhỏ nhất và nhỏ hơn 1
0
, ta chọn đợc

2
=16
0
, ứng với góc quay
vòng lớn nhất của bánh xe dẫn hớng của cầu thứ tơng ứng là
0
max2
0
max
2
90,23,28 ==

(tính
max2

max
:gọi là vòng quay vành lái lớn nhất tính từ vị trí đi thẳng.


1max
:góc quay vòng lớn nhất của bánh xe dẫn hớng cầu trớc.
(35
0
).
I
1
:gọi là tỷ số truyền hệ thống lái đối với cầu trớc (i
1
=24)


lớn nhất từ
75,10,1 ữ
vòng đối với xe du lịch
từ
5,20,2 ữ
vòng đối với xe tải lớn .
Thay những thông số tính đợc vào công thức trên ta tìm đợc góc quay vô lăng
lớn nhất :
33,284035.24
00
max
==

(vòng) (trong giới hạn cho phép đối với xe

S
D
S'2
8
b
a
ln1
c
ln2
d
Thiết kế hệ thống lái hai cầu dẫn hớng
6. Đòn kéo dọc cầu sau.
7. Đòn kéo ngang cầu sau.
8. Đòn lắc
9. Đòn nối hai cầu dẫn hớng.
10. Đòn lắc.
Khi đòn quay đứng quay 1 góc

, đòn lắc thứ nhất (chiều dài a) quay một góc
1

, đòn lắc thứ hai ( chiều dài d ) quay một góc
2

.
Gọi a,b,c,d : lần lợt là kích thớc của các cánh tay đòn trên hình vẽ.
S
1
,S
2

=
d
c
S
S
a
b
S
S
2
2
1
1
'
'










=
=
22
11
.'

(1.15)
Thay các công thức (1.14) và (1.15) vào công thức (1.13) ta đợc :
21
2211

tg
d
c
tg
a
b
tgl
d
c
tgl
a
b
nn
=
=
(1.16)
(với giả thiết l
n1
=l
n2
)
Theo mối quan hệ góc quay của cầu một và cầu thứ hai ta có:


Suy ra:
1
2
.
.
L
L
b
ca
d =
(1.18)
(1.18) là công thức biểu diễn quan hệ kích thớc các đòn dẫn động đảm
bảo mối quan hệ quay vòng đúng của cầu dẫn hớng thứ nhất và cầu dẫn hớng
thứ hai.
Dựa vào công thức (1.18) ta tính đợc kích thớc các đòn bằng cách sau:
Chọn :
a=400 (mm)
b=140(mm)
c=190(mm)
L
1
=7060(mm)
L
2
=5360(mm)
Thay vào công thức (1.19) ta tính đợc kích thớc đòn d:
)(14,412
7060
5360

Lý thuyết
Thực tế
2
a2
đặc tính quay vòng của cầu
thứ hai.
*.Tính tỷ số truyền của dẫn động lái:
tỷ số truyền của hệ dẫn động lái đến cầu thứ nhất:
14,1
290
330
i
d1
===
d
n
l
l
Với l
d
,l
n
là kích thớc các đòn quay đứng và đòn ngang của hệ thống lái.
Tỷ số truyền của dẫn động lái đến cầu thứ hai:
86,0
290.14,412.140
330.190.400

1
===


===
=



tgtg
l
l
tg
tgltgl
d
n
nd
Tính góc quay lớn nhất của đòn lắc 2 (đòn lắc có kích thớc bằng d):
Đồ án tốt nghiệp 19 Vũ Văn Hoà - Lớp Ôtô k46
Thiết kế hệ thống lái hai cầu dẫn hớng
'823
43,0.
.
.

0
2
2
2

=
=



=2.
00
7839.2 ==

3. Tính các chi tiết của dẫn động lái
3.1. Chọn đờng kính của trục đòn quay đứng.
Khi quay vành lái, trục đòn quay đứng chịu mômen lớn nhất so với tất cả
các chi tiết của hệ thống lái. Lực cản quay vòng của các bánh xe dẫn hớngphụ
thuộc vào phần trọng lợng của xe đặt lên trục trớc, kích thớc lốp, bánh xe quay
vòng và nhiều nhân nhân tố khác, vì vậy mômen truyền từ cơ cấu lái tới cam
quay bánh xe dẫn hớng sẽ khác nhau đối với những xe khác nhau.
Thêm vào đó là tỷ số giữa chiều dài của đòn quay đứng và đòn kéo ngang
gần nh bằng một, nên có thể xem nh toàn bộ mômen để khắc phục lực cản
quay vòng của các bánh xe dẫn hớng đều đợc truyền qua đòn quay đứng.
Những va đập nghịch đảo tác động lên một trong hai bánh xe dẫn hớng khi xe
chạy trên mặt đờng gồ ghề sẽ đợc truyền tới vành tay lái và ở trên trờng hợp
này trục đòn quay đứng cũng chịu lực va đập toàn bộ. Vì vậy, đờng kính trục
đòn quay đứng phải đợc xem là một trong những kích thớc cơ bản của cơ cấu
lái khi chọn lựa cơ cấu lái hoặc khi tính toán thiết kế mới.
Đờng kính của trục đòn quay đứng đợc xác định theo công thức sau:
3
,
0
.
0, 2.
c
k M
d
t


=

(MN/m
2
) (1.38)
Trong đó:
P
lmax
- lực lái lớn nhất tác dụng lên vô lăng.
D, d - đờng kính trong và đờng kính ngoài của trục lái.
Chọn vật liệu chế tạo trục lái là thép C40 không nhiệt luyện, phôi chế tạo
là phôi thép ống.ứng suất tiếp xúc cho phép
[ ]
2
/8050 mMNữ=

.
Chọn sơ bộ kích thớc của trục lái là:
D=30 (mm)
d= 20 (mm)
P
lmax
=
R
M
l
Thay những thông số trên vào công thức (1.38) ta đợc:
40,54
10).2030.(2,0

2
)
Đồ án tốt nghiệp 21 Vũ Văn Hoà - Lớp Ôtô k46
Thiết kế hệ thống lái hai cầu dẫn hớng
max

đổi ra không đợc vợt quá(
m1/)5,75,5(
00
ữ
.
Thay số vào ta đợc:
045,0
10.8.030,0
1.40,54.2
4
==

(rad)
Suy ra:
m1/58,2
14,3
180.045,0
0
0
==

, thoả mãn điều kiện cho phép.
3.3. Tính bền các đòn dẫn động lái.
3.3 1. Đòn quay đứng.

Do vậy ta chọn Q=15605,9 (N) khi tính bền đòn quay đứng. Khi tính
bền ta tính tại những tiết diện nguy hiểm ( ở đây ta tính cho tiết diện I-I).
Chọn vật liệu chế tạo đòn quay đứng là thép các bon tôi và ram.Then hoa
tam giác ở đầu đòn quay đứng đợc kiểm tra theo chèn dập và cắt.
Dựa vào số liệu thực tế đo đợc ta chọn sơ bộ kích thớc tại mặt cắt I-I :
a=75 (mm)
b=25 (mm)
Kiểm tra đòn quay đứng theo uốn:
Đòn quay đứng bị uốn do mô men Q.l
n
gây lên.
Ta tính ứng suất tại tiết diện nguy hiểm nhất I I.
Trong đó:
)(5,23437
6
75.25
6
.
2
22
mm
ba
W
u
===
M
u
= Q.l
d
= 15605,9.290.10

/1000/73,219 mmNmmN
uu
=<=

nên thoả mãn điều kiện bên uốn.
Đồ án tốt nghiệp 23 Vũ Văn Hoà - Lớp Ôtô k46
Thiết kế hệ thống lái hai cầu dẫn hớng
Kiểm tra đòn quay đứng theo xoắn:
Đòn quay đứng bị xoắn do mômen Q.c gây lên.
2

.
ab
cQ
W
M
x
x


==
c cánh tay đòn nh hình vẽ (chọn theo số liệu thực tế đo đợc c = 58 mm).

đợc chọn theo bảng sau:
a/b 1 1,2 1,25 1,5 1,75 2,5

0,208 0,219 0,221 0,231 0,239 0,253
Với a/b = 75/25 = 3, ta chọn

= 0,253

e
cX
N
pip
.2

1

==
ở đây:
X
p
-lực phanh tác dụng lên một bánh xe.
m
1p
- hệ số phân bố lại trọng lợng lên cầu dẫn hớng khi phanh (m
1p
=1,4).

- hệ số bám giữa lốp với đờng (lấy

=0,8).
Tính bền đòn kéo dọc và đòn kéo ngang cho dẫn động lái cầu dẫn hớng thứ
nhất:
Tính e:
mmme 77,27413cos.282cos.
0
1
===


f
Q
=

ứng suất nén trong đòn kéo ngang DE:
n
nn
f
N
=

ở đây:
f
d
, f
n
tiết diện ngang của đòn kéo dọc và đòn kéo ngang.
f
d
= f
n
=
( ) ( )
)(5,549
4
3040.14,3
4
.
2
2222

ứng suất giới hạn uốn dọc của đòn kéo dọc
2
2
.

bd
d
ud
lf
JE


=
Trong đó:
J
d
, J
n
là mômen quán tính của tiết diện ngang thanh kéo dọc và thanh
kéo ngang.
E môđuyn đàn hồi của vật liệu chế tạo đòn kéo dọc và đòn kéo ngang
(E=2,1.10
5
MN/m
2
).
l
b
, n các kích thớc chiều dài trên hình 1.3
n = n